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

Modélisation multiphysique d'un four de frittage expérimental

Dans le cadre du développement et de l’amélioration des performances des vecteurs de production d’énergie bas carbone, le CEA dispose d’une plateforme logicielle permettant de modéliser le comportement du combustible nucléaire de sa fabrication jusqu’à son utilisation en réacteur. Le frittage, étape-clé dans la fabrication, est le procédé de traitement thermique utilisé pour consolider et densifier le combustible nucléaire afin de former la solution solide U1-yPuyO2-x. Le cycle de frittage comporte généralement une montée en température avec une rampe linéaire, un plateau à température constante et un refroidissement contrôlé, avec, éventuellement une adaptation continue du potentiel d’oxygène afin d’obtenir le rapport oxygène sur métal visé. Une première modélisation d’un four de frittage industriel a été réalisée en utilisant la suite logicielle OpenFOAM et la librairie C++ éléments-finis DIFFPACK. Une seconde étape vise la validation des modèles utilisés dans la simulation de ce four industriel sur la base d’une approche à effets séparés et la modélisation d’un four de frittage de laboratoire. Ce post doctorat sera réalisé à Cadarache au sein du laboratoire de modélisation multi-échelle (LM2C) du département d’études des combustibles, en étroite collaboration avec les équipes d’expérimentateurs du Laboratoire de chimie du Solide et d’Elaboration des Matériaux d’actinides (LSEM) de Marcoule qui développent et exploitent le four expérimental. La collaboration portera sur les données d’entrée de la modélisation (la géométrie du four, les conditions de température et d’atmosphère) et les mesures à comparer avec les données de simulations. Le post-doctorant évoluera dans un environnement stimulant, au sein d’un laboratoire dynamique où travaillent déjà une quinzaine de doctorants et post-doctorants, en contact avec des experts en modélisation de la physique du combustible.
Le travail sera valorisé par des présentations en conférences et la publication d’articles.

Modélisation du gonflement gazeux à basse puissance dans un combustible de 4ème génération

Le CEA étudie actuellement un projet de cœur de réacteur 4ème génération à neutrons rapides (RNR) intrinsèquement sûr [1], fonctionnant avec de faibles puissances linéiques ce qui conduit à une rétention accrue des gaz de fission dans le combustible. Il est nécessaire, pour conforter les gains attendus en marge de sûreté, de disposer d’une modélisation fine de la thermomécanique de ce concept. Le modèle de comportement des gaz de fission actuellement utilisé au CEA dans l’outil GERMINAL de simulation de l’aiguille combustible RNR, intégré dans la plateforme PLEIADES, est basé sur une approche macroscopique empirique dont la base de calibration est centrée sur des objets irradiés à forte puissance, présentant une faible rétention gazeuse [2]. Ce sujet de post-doctorat vise à étendre aux RNR un modèle de gaz existant, MARGARET, qui a été développé pour les combustibles oxydes dans les réacteurs à eau pressurisée (REP) [3] et qui en outre s’avère pertinent pour les fonctionnements à basse puissance. Une des difficultés sera la prise en compte de l’évolution de la microstructure du combustible qui est plus importante en RNR qu’en REP et qui a été abordée dans [4]. La première partie du travail consistera à intégrer le modèle de gaz MARGARET dans l’outil de calcul GERMINAL. Cette tâche nécessitera de coupler les grandeurs associées à la résolution des équilibres des différentes physiques (thermique, mécanique, et gonflement gazeux) pour construire le schéma de couplage. La seconde partie du travail s’intéressera aux différentes composantes à l’origine du gonflement, via l’analyse détaillée des examens post-irradiatoires destructifs réalisés au CEA Cadarache (LECA – Laboratoire d’Examens des Combustibles Actifs). Des outils d’analyse d’image pourront être utilisés pour caractériser la distribution de la porosité dans le combustible. Sur cette base, il sera ensuite nécessaire de calibrer les paramètres du modèle MARGARET pour réduire les écarts entre calculs et mesures.

Amélioration par calculs thermodynamiques des modèles de physico-chimie pour le joint oxyde-gaine et la réaction oxyde-gaine dans le code de performance GERMINAL

Ce sujet de post-doctorat s’inscrit dans le cadre des études sur le comportement physico-chimique en conditions d’irradiation du combustible (U,Pu)O2 envisagé pour alimenter les réacteurs nucléaires de 4ème génération. En effet, ce type de combustible est le siège de deux phénomènes spécifiques qui peuvent affecter son comportement :
- la formation d’un JOG (Joint Oxyde-Gaine), couche de composés de produits de fission localisée entre la surface externe de la pastille et la face interne de la gaine ;
- la ROG (Réaction Oxyde-Gaine), qui conduit à la formation d’une couche de corrosion interne de la gaine composée de produits de fission et des éléments constitutifs de l’acier de gainage.
L’objectif du travail consiste à améliorer les modèles de physico-chimie pour la formation du JOG et pour la ROG dans GERMINAL, outil de calcul scientifique (OCS) dédié au comportement thermo-mécanique et physico-chimique du combustible des réacteurs à neutrons rapides en conditions d’irradiation standards et incidentelles. Pour ce faire, le candidat travaillera sur le développement du schéma de calcul GERMINAL en mode intégré qui fait appel au composant de thermochimie OpenCalphad et sur la comparaison de résultats de calculs d’épaisseurs de JOG et de corrosion interne de gaine aux observations expérimentales disponibles pour certaines expériences d’irradiations. Des calculs thermodynamiques complémentaires seront réalisés en mode autonome avec la TAF- ID (Thermodynamics of Advanced Fuels - International Database, pour analyser la thermochimie JOG/ROG en fonction de paramètres d’intérêt.
Ce travail sera réalisé en collaboration avec un laboratoire spécialisé en modélisation thermodynamique, en charge du projet de la TAFID. Le candidat aura ainsi la possibilité de discuter sur ces résultats avec des partenaires étrangers dans un cadre collaboratif. Qui plus est, il pourra valoriser son travail au travers de publications et de présentations à des conférences.

Modélisation microscopique du transfert de matière par évaporation condensation sous gradient thermique dans un matériau céramique

Dans les combustibles nucléaires, la présence de porosités, ainsi que l’atteinte de très hautes températures combinées au fort gradient thermique, activent un phénomène d’évaporation-condensation. Cela se traduit in fine par un déplacement des porosités vers la partie chaude centrale des combustibles et par un transfert de matière en sens inverse vers la partie froide externe. Ce phénomène est actuellement modélisé par une approche 2D homogénéisée à l’échelle de la pastille combustible dans laquelle le transfert de matière est calculé en résolvant l’équation d’advection couplée à l’équation de la chaleur par la méthode éléments finis.
Le post-doctorant devra mettre en place une modélisation de type microscopique du phénomène de transfert en phase vapeur. Ce travail permettra d’améliorer la simulation des volumes libres associés à des fissures et ainsi, de justifier les hypothèses de la loi de vitesse de migration des porosités utilisée dans le modèle 2D homogénéisé.
Le travail à réaliser est décomposé en deux étapes principales que sont d’une part, la formulation et l’implémentation numérique des équations constitutives du modèle microscopique, et d’autre part, la justification du modèle homogénéisé. Le post-doctorant travaillera sur le site du CEA de Cadarache dans le cadre d’une collaboration entre les équipes de chercheurs du Département d’Etude des Combustibles et de l’IUSTI d’Aix-Marseille Université sur la simulation du transfert de matière en phase vapeur sous gradient thermique. Une avancée majeure attendue de ce travail est la prise en compte de l’évolution de la géométrie des porosités, induite par le transfert de matière, avec des techniques de suivi du mouvement des interfaces solide-gaz. Les résultats seront valorisés par des publications dans des revues scientifiques et des participations à des conférences.

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