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Calcul de la conductivité thermique des combustibles UO2 et de l’influence des défauts d’irradiation

Défis technologiques Physique de l’état condensé, chimie et nanosciences Physique du solide, surfaces et interfaces Simulation numérique

Résumé du sujet

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, qui est l'une des données d'entrée de ces simulation, peut à présent être obtenue pour l’oxyde 100% dense par simulation de dynamique moléculaire à l’échelle du monocristal, 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) reste difficile à évaluer de façon couplée.
L’ambition de ce travail est d’inclure des défauts dans des supercellules de simulation et de calculer leur effet sur la conductivité thermique. En fonction de la taille des défauts considérés nous utiliserons soit la DFT (Density Functional Theory) soit un potentiel empirique ou numérique pour effectuer les simulations de dynamique moléculaire. Le code AlmaBTE permet de calculer la diffusion des phonons par des défauts ponctuels 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 microstructure polycristalline et des défauts d’irradiation sur la conductivité thermique. A l’issue de cette thèse, 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, calculs de mécanique des milieux continus avec la méthode FFT, donnée qui sera enfin intégrée dans la simulation du comportement de l’élément combustible sous-irradiation.
La thèse s’effectuera au sein du Département d’Études des Combustibles (Institut IRESNE-CEA Cadarache), 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.

Laboratoire

Département d’Etudes des Combustibles
Service d’Etudes de Simulation du Comportement du combustibles
Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles
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