Au cours de sa vie en réacteur le combustible est soumis à différentes sollicitations pouvant induire sa fissuration et impacter ses propriétés mécaniques, physico-chimique et de transport. Dans certaines conditions, la matière peut diffuser au sein des fissures et contribuer à leur colmatage, ce qui peut conduire à une restauration locale des propriétés du matériau. Ce phénomène est communément appelé guérison de fissure. Dans le cas du combustible nucléaire des réacteurs à neutrons rapides, la guérison a lieu par apport de matière interne au matériau par un phénomène local de soudage par diffusion (Salmon et al., 2026) ou par migration des porosités (Barani et al., 2022).

L’objectif de cette thèse est de développer une modélisation multiphysique des mécanismes de la guérison des fissures prenant en compte la fissuration du matériau, la diffusion de matière au sein des fissures, et les phénomènes physico-chimiques susceptibles de conduire à leur colmatage et à la restauration locale de la cohésion mécanique. Des méthodes numériques devront également être développées, notamment pour coupler les modèles de gradient d’endommagement utilisés pour décrire la fissuration, l’ouverture de fissure et le transport de matière. La validation du modèle constitue un enjeu majeur, notamment en raison de la difficulté à distinguer et à caractériser les différents mécanismes à l’oeuvre dans un combustible irradié. Pour surmonter cette difficulté, la thèse s’intéressera, également aux matériaux cimentaires pour lesquels la guérison de fissure a fait l’objet d’expériences dédiées.

Ce travail de thèse sera mené dans le cadre du Laboratoire commun MISTRAL, associant Aix-Marseille Université, le CNRS, Centrale Marseille et le CEA, en collaboration entre l’institut IRESNE (site de Cadarache) et l’institut ISAS (site de Saclay). Le doctorant sera principalement basé à Cadarache et effectuera une période de 6 mois à 1 an sur le site du CEA Saclay. Il bénéficiera également de l’environnement scientifique du Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique (LMA). Cette collaboration vise à développer un modèle générique applicable à la fois aux combustibles nucléaires et aux matériaux cimentaires.

Le doctorant valorisera ses résultats au travers de publications et participations à des congrès. Il aura par ailleurs acquis, à l'issue de sa thèse, de solides compétences en modélisation multiphysique et en simulation numérique, mobilisables dans de nombreux domaines académiques et industriels.

(Barani et al., 2022) Barani T, Ramière I et Michel B « Analysis of fabrication and crack-induced porosity migration in mixed oxide fuels for sodium fast reactors by the finite element method ». J Nucl Mater 558:153341, (2022). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.153341
(Salmon et al., 2026) Salmon, L., Blanc, V., Garajeu, M. et al. A thermo-mechanical cohesive zone model for damage and healing in brittle solids. Comput Mech 77, 501–520 (2026). https://doi.org/10.1007/s00466-025-02675-5

Le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) est un acteur majeur de la recherche et de l’innovation dans le domaine des énergies bas carbone. En collaboration avec EDF et Framatome, il mène des recherches alliant simulation et expérimentation pour améliorer la sûreté des réacteurs français. Le CEA développe la plateforme de simulation PLEIADES, qui modélise le comportement des combustibles nucléaires selon une approche multiphysique et multiéchelle.
Cette thèse s’intéresse à l’étude du comportement des crayons combustibles lors d’un scénario hypothétique d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) dans un réacteur à eau pressurisée. Ces crayons sont constitués de pastilles combustibles empilées dans une gaine en Zircaloy, qui constitue la première barrière de confinement des produits de fission radioactifs. Lors d’un APRP, la température de la gaine augmente, tandis que la pression interne du crayon dépasse celle du circuit primaire. Fragilisée par la chaleur et l’oxydation, la gaine peut alors gonfler (ballonnement), et rompre.
La dépressurisation brutale qui en résulte peut entraîner une sur-fragmentation du combustible, déjà fissuré au cours de son fonctionnement en réacteur. Les fragments risquent alors de se disperser dans le circuit primaire, modifier les conditions de refroidissement du cœur ce qui constitue un enjeu fondamental de sûreté. L’objectif de la thèse est donc de quantifier l’impact du ballonnement de la gaine sur la fragmentation et la relocalisation du combustible, afin de prédire sa dispersion en cas de rupture de la gaine et ainsi de renforcer les démonstrations de sûreté.
Le travail de thèse vise à développer une approche de simulation tridimensionnelle, du relâchement des produits de fission et de la fragmentation fine du combustible observés sous chargements thermomécaniques. Une attention particulière sera portée à l’influence du confinement exercé par la gaine sur les mécanismes de fragmentation.
Pour cela, la Méthode des Éléments Discrets (DEM) sera couplée à des modèles de zones cohésives (CZM) pour simuler la propagation des fissures dans un volume élémentaire composé de quelques grains, sous différentes conditions de chargement, de confinement et de géométrie.
Une approche multiéchelle permettra ensuite d’étendre les simulations à la pastille. Des volumes représentatifs des différentes zones de la pastille seront étudiés pour construire progressivement une description à l’échelle macroscopique, à l’aide d’automates cellulaires et/ou de calculs tridimensionnels complets. Les modèles seront évalués par confrontation à des données expérimentales représentatives.
Le doctorant sera accueilli au sein de l'institut IRESNE (CEA-Cadarache) dans le Laboratoire d’Expertises et de Validation des Applications combustibles multifilières (LEVA) du Département d’Etude des Combustibles. Ce travail de thèse sera mené conjointement 1/ au LEVA et 2/ au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC, Université de Montpellier). Le doctorant ou la doctorante s'appuiera sur les acquis des travaux de thèse précédents ainsi que sur les outils de calcul haute performance ExaDEM et sur l’outil éprouvé LMGC90.
Le doctorant ou la doctorante développera des compétences à l’interface entre mécanique, science des matériaux et ingénierie nucléaire, dans un environnement de recherche associant expertise scientifique, collaboration académique et partenariats industriels. Les résultats pourront être valorisés par des publications scientifiques et des présentations lors de conférences internationales.

A. Nusslé « Modélisation de la fragmentation fine du combustible UO2 lors d’un Accident de Perte de réfrigérant Primaire », Thèse de doctorat, Université de Montpellier, 2026
V. Richefeu & al., Advanced strategies for discrete simulations with three-dimensional R-shapes in rockable framework. Computer Physics Communications, 320, 109997, 2026.