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.

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.