Etude à l'échelle atomique de l'interaction dislocation-défauts ponctuels dans le combustible UO2
Le dioxyde d’uranium (UO2) constitue le principal combustible utilisé dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP). En fonctionnement normal sous irradiation, le comportement mécanique et microstructural de l’UO2 évolue en raison de l’accumulation de défauts ponctuels (lacunes, interstitiels, amas de défauts) générés par les évènements de fission nucléaire. Ces défauts modifient le comportement thermo-mécanique du matériau, notamment par leur interaction avec les dislocations, influençant ainsi la plasticité, la relaxation des contraintes et, in fine, l'intégrité du combustible.
Une compréhension fine des mécanismes élémentaires gouvernant ces interactions est essentielle pour améliorer la modélisation du comportement mécanique du combustible irradié. En particulier, l’impact des défauts ponctuels sur la mobilité des dislocations reste un enjeu clé pour affiner les lois de comportement utilisées dans les outils de simulation multiéchelle de la plateforme PLEIADES, dédiés à la prédiction du comportement du combustible dans différentes conditions de fonctionnement (nominales, transitoires, accidentelles).
L’objectif de cette étude est donc d’analyser, à l’échelle atomique, les interactions entre dislocations et défauts ponctuels dans l’UO2 afin de quantifier leur influence sur les mécanismes élémentaires de plasticité. À cette fin, des calculs de dynamique moléculaire seront réalisés pour étudier l’effet de différents types de défauts ponctuels (ex : paires de Frenkel) sur la mobilité des dislocations en fonction de paramètres clés tels que la température et la contrainte appliquée. Ces travaux permettront d’extraire des lois de mobilité des dislocations en présence de défauts, qui serviront de données d’entrée pour les modèles micromécaniques utilisés dans les simulations à plus grande échelle, notamment celles mises en œuvre dans la plateforme PLEIADES.
Modélisation du dispositif d'irradiation MADISON du RJH
Le Réacteur Jules Horowitz (RJH), en cours de construction sur le site du CEA de Cadarache, aura pour objectifs de réaliser les irradiations de matériaux et combustibles en soutien à la filière nucléaire française et internationale et également de produire des radio éléments à usage médical. Pour mener à bien ses missions, le réacteur comportera de nombreux dispositifs expérimentaux. En particulier, le dispositif MADISON, qui est actuellement en cours de conception, permettra d’irradier 2 ou 4 échantillons combustibles en conditions nominales stationnaires ou en transitoires opérationnels. La boucle est représentative des conditions de fonctionnement des réacteurs à eau légère et fonctionne en convection forcée monophasique et diphasique.
L’objectif du Post-Doc consiste à modéliser précisément le dispositif MADISON et l'ensemble des échanges de chaleur associés afin de contribuer à la détermination du bilan thermique d'ensemble au cours de l’essai et d'améliorer ainsi la précision sur la détermination de la puissance linéaire imposée aux échantillons. Dans cet objectif, une modélisation couplée thermique (décrivant les crayons combustibles, les structures du dispositif) / thermohydraulique CFD (décrivant le caloporteur) sera établie à l'aide du code NEPTUNE_CFD/SYRTHES. La validation de la modélisation sera effectuée sur la base des résultats acquis dans le cadre d’une modélisation similaire réalisée sur les dispositifs mono-crayon ISABELLE-1 et ADELINE des réacteurs OSIRIS et RJH. La démarche proposée s'intègre dans la logique de développement de jumeaux numériques des dispositifs expérimentaux du RJH.
Calcul de la conductivité thermique du combustible UO2 et l’influence des défauts d’irradiation
L’étude du comportement sous irradiation du combustible nucléaire fait l’objet de simulations dont les résultats dépendent étroitement de ses propriétés thermiques et de leurs évolutions avec la température et l’irradiation. La conductivité thermique de l’oxyde 100% dense peut à présent être obtenue par dynamique moléculaire à l’échelle du monocristal, en calculant les constantes de forces d’ordre 2, 3 et 4[1], mais l’effet de défauts comme les défauts induits par l’irradiation (boucle d’irradiation, amas de lacunes) voire même des joints de grains (céramique avant irradiation) restent difficiles à évaluer de façon couplée.
L’ambition de ce travail est d’inclure des défauts dans des supercellules et de calculer leur effet sur les constantes de force. En fonction de la taille des défauts considérés nous utiliserons soit la DFT soit un potentiel empirique ou numérique pour effectuer la dynamique moléculaire. AlmaBTE permet de calculer la diffusion des phonons par des défauts ponctuels [2] et le calcul de la diffusion des phonons par les dislocations et leur transmission à une interface ont aussi été récemment implémentés. Ainsi, le chaînage calculs atomistiques / AlmaBTE permettra de déterminer l’effet de la miscrostructure polycristalline et des défauts d’irradiation sur la conductivité thermique. A l’issue de ce post-doc, les propriétés obtenues seront utilisées dans les outils de simulation existants afin d’estimer la conductivité d’un élément de volume (effet additionnel de la microstructure notamment du réseau poreux, méthode FFT), donnée qui sera enfin intégrée dans la simulation du comportement de l’élément combustible sous-irradiation.
Le travail s’effectuera au sein du Département d’Études des Combustibles du CEA, dans un environnement scientifique caractérisé par une grande expertise sur la modélisation des matériaux, en collaboration étroite avec d’autres équipes du CEA à Grenoble et en région parisienne expertes des calculs atomistiques. Les résultats
Application de la méthode Hybrid-High-Order (HHO) pour le traitement des effets non locaux en plasticité cristalline via une approche micromorphe
La description du comportement des matériaux à l’échelle cristalline est l’objet de nombreux travaux universitaires et présente un intérêt croissant dans les études de R&D à vocation industrielle. Cette description se fait classiquement à l’aide de lois de comportement décrivant l’évolution locale de l’état microstructural du matériau : déformation (visco-)plastique, densité de dislocations, etc. Le principal moteur de cette évolution est la cission résolue, projection de la contrainte locale sur chaque système de glissement du cristal.
Le formalisme de ces lois de comportement locales est aujourd’hui bien établi, que l’on considère des transformations infinitésimales ou des transformations finies, et bénéficie d’un support particulier au sein du générateur de code MFront. L’utilisation de MFront permet le partage des lois entre les solveurs du CEA (Manta, Cast3M, Europlexus, AMITEX_FFTP) et EDF (code_aster, Europlexus).
L’objectif du post-doctorat est de mettre en place une stratégie numérique robuste, permettant de résoudre de manière fiable des problèmes de structure utilisant des lois de plasticité cristalline non locales et garantissant la transférabilité des lois entre les codes du CEA et d’EDF.