Les crayons combustibles des réacteurs nucléaires à eau pressurisée sont constitués de pastilles d’oxyde d’uranium empilées dans des tubes en alliages de zirconium. En réacteur, ces matériaux subissent des sollicitations mécaniques conduisant à leur déformation irréversible. Afin de garantir la sureté et augmenter la performance des réacteurs, ces déformations doivent être modélisées et prédites de la façon la plus précise possible. De façon à encore améliorer la prédictivité des modèles, le caractère polycristallin de ces matériaux ainsi que les mécanismes physiques de déformation doivent être pris en compte. C’est l’objectif de cette étude qui consiste à développer un modèle numérique multi-échelle à base physique de la gaine des crayons combustible.
Le comportement mécanique des matériaux métalliques est généralement modélisé en considérant ceux-ci comme homogènes. Or, les phénomènes de plasticité cristalline à l’échelle des grains ainsi que le caractère polycristallin de ces matériaux pilotent au premier ordre leur comportement. Afin de prendre en compte leur caractère hétérogène, des modèles polycristallins, auto-cohérents en champ moyen, basés sur la théorie de l’homogénéisation des matériaux hétérogènes sont utilisés depuis de nombreuses années. Récemment, un modèle polycristallin, développé dans un cadre linéaire et isotherme, a pu être couplé à des calculs par éléments finis 1D axisymétriques pour simuler la déformation des gaines en réacteur. Un historique de chargement mécanique complexe, imitant les sollicitations subies par la gaine, a pu être simulé.
L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre le domaine d’application de ce modèle notamment en l’appliquant à un cadre non-linéaire afin de simuler des sollicitations à forte contrainte, de l’étendre à des sollicitations anisothermes mais également de réaliser des simulations par éléments finis en 3D avec en chaque élément et chaque pas de temps une simulation par le modèle polycristallin. Ces développements théoriques et numériques seront finalement appliqués à la simulation du comportement des crayons combustibles en situation de rampe de puissance grâce à son intégration à une plateforme logiciel utilisée pour des applications industrielles. Cette approche permettra de mieux évaluer les marges disponibles pour faire fonctionner le réacteur de façon plus flexible, permettant ainsi de s’adapter à l’évolution du mix énergétique et cela en toute sécurité.

La corrosion des armatures est une des principales causes de dégradation prématurée des infrastructures en béton, y compris dans le domaine nucléaire où le béton est largement utilisé dans les enceintes de confinement et les structures de stockage de déchets. La carbonatation due à la pénétration du CO2 dans le béton entraîne une baisse du pH de la solution porale, favorisant la corrosion des armatures. Cette corrosion entraine la formation de produits expansifs pouvant provoquer la fissuration du matériau. Le travail de thèse, proposé dans le cadre d’une collaboration au sein d’un projet européen entre le CEA de Saclay, l'École des Mines de Paris - PSL et l'IRSN, vise à développer un modèle numérique pour simuler ces phénomènes. Le modèle combine un code de transport réactif (Hytec) et un code d'éléments finis (Cast3M) pour étudier les effets locaux de la corrosion par carbonatation sur la fissuration du béton. Ce projet s’appuiera sur des travaux expérimentaux réalisés en parallèle permettant de recueillir des données pour identifier les paramètres et valider le modèle. La première partie du travail se concentrera sur la modélisation de la carbonatation des matériaux cimentaires en conditions insaturées, tandis que la deuxième portera sur la corrosion des armatures due à la baisse de pH induite par cette carbonatation. Le modèle décrira la croissance des produits de corrosion et leur expansion induisant des contraintes dans le béton et une possible microfissuration.
Ce projet de recherche s'adresse à un doctorant souhaitant développer ses compétences en science des matériaux, avec une forte composante en modélisation et simulations numériques multi-physiques et multi-échelles. La thèse sera réalisée principalement au CEA de Saclay et à l'École des Mines de Paris – PSL (Fontainebleau).

Les enceintes sous pression du circuit primaire des centrales nucléaires françaises sont élaborées par assemblage de composants en aciers faiblement alliés, mis en forme à partir de lingots de fort tonnage (> 100t) dont la solidification s’opère de manière non-uniforme. La forte épaisseur des pièces conduit par ailleurs à ce que les évolutions de température lors des traitements thermiques post-forgeage varient significativement en fonction de la position dans l’épaisseur de la pièce. Ces deux effets concourent à produire des microstructures hétérogènes qui peuvent fragiliser sensiblement le matériau.
L’objectif scientifique de cette thèse est d’évaluer quels éléments au sein de la microstructure sont responsable, et dans quelle proportion, d’une fragilisation accrue du matériau pour certaines conditions défavorables de traitements thermiques. Inversement, mieux cerner le domaine de conditions de traitements thermiques pour lequel cette fragilisation du matériau reste contenue, pour une microstructure initiale donnée, est un objectif à fort enjeu industriel.
Plusieurs traitements thermiques ont déjà été appliqués à des coupons issus d’une pièce industrielle rebutée avant de les solliciter en flexion par choc, dans le domaine de la transition ductile fragile du matériau. Des essais mécaniques instrumentés seront menés ainsi que des analyses fractographiques et microstructurales de pointe afin d’identifier l’évolution de la nature des sites d’amorçage en fonction des conditions de traitement thermique. Ces éléments seront alors intégrés dans un modèle d’approche locale de la rupture développé spécifiquement pour rendre compte des effets de variations microstructurales sur la résistance à la rupture fragile des aciers faiblement alliés.