Le procédé de fabrication des pastilles de combustible nucléaire à base de Mélange d’OXydes MOX est composé de trois étapes principales, le co-broyage des poudres, la mise en forme par pressage uniaxial et le frittage. L’étape de pressage de référence consiste en la mise en forme des combustibles crus par compression uniaxiale « double effet » en matrice asservie en déplacement à partir d’un milieu granulaire dont le comportement rhéologie et la compressibilité sont fonction des caractéristiques des matériaux de base, des compositions et du comportement du mélange ainsi que des paramètres de pressage jusqu’à l’obtention de la pastille crue.

La simulation de la mise en forme par la méthode aux éléments finis (FEM) est dédiée au comportement macroscopique des poudres en comparaison de la méthode discrète spécifiquement utilisée pour l’analyse microscopique.

Les simulations FEM sont particulièrement utilisées pour les besoins de production industrielle et pour un laboratoire de recherche comme le LN0 travaillant à plus petite échelle. Les études FEM se font à l’échelle de la pastille permettant de prendre en compte et d’optimiser les cycles de pressage afin de minimiser les gradients de densité permettant de maitriser les retraits après frittage. Si le cycle de frittage est l’étape ultime où le comportement thermique est étudié, il est néanmoins tributaire de l’histoire de la poudre et de la pastille crue. Il est alors possible de transmettre ces cartes de densité obtenues numériquement et par mesures in-situ. Les simulations permettent aussi de prendre en compte le comportement rhéologique de la poudre (morphologie, granulométrie, fluidité, cohésion…etc). Elles permettent de prédire la dimension des combustibles à fabriquer en fonction des critères de fabrication imposés afin d’éviter les rectifications, de dimensionner les outillages selon les programmes, manager les endommagements et les défauts dans les pastilles. Enfin, via un couplage avec la DEM, des études plus spécifiques peuvent être envisagées localement et transposée sur le comportement global (scaling).

Le travail de thèse proposé est plutôt expérimental mais prévoit aussi d’alimenter les bases de données des paramètres des modèles élasto-plastiques utilisés dans les codes de calculs à partir des post-traitements relatifs aux expérimentations. Comme expérimentations, plusieurs dispositifs sont concernés comme de compression en matrice instrumentées, des essais de rupture sur les crus, des essais de cisaillement FT4, de la ganulo-morphologie, de la nano-indentation in-situ sur les crus, des essais inactifs de micro-compressions en tomographie X ou synchrotron.

L’objectif scientifique de l’étude concerne l’obtention des modèles élasto-plastiques pour le système (U,Pu)O2 par optimisation numérique et le data matching dans le but d’intégrer l’influence de la composition en PuO2 sur les paramètres matériaux. Il s’agit d’un travail expérimental mais avec une connotation numérique pour la modélisation en sachant que la part simulation pourra être traitée par d’autres ressources.

Profil recherché : Le profil recherché est un ingénieur grandes écoles mécanique-matériaux avec un intérêt particulier et/ou compétences pour les outils numériques (FEM, DEM, CFD) et langages (C++, Python, Matlab)

La portée de cette thèse sera significative car il existe peu de résultats ou de publications dans la littérature ouverte sur les lois de comportement de la mise en forme de poudres à base de plutonium et l’influence de la composition en actinide sur les paramètres des modèles élasto-plastique permettant à l’échelle industrielle de prédire la qualité de fabrication des combustibles. Le chercheur aura l’occasion d’utiliser des équipements expérimentaux de pointe pour être au plus près de la matière, essais d’indentation in-situ, appareils analyses rhéologiques, presse instrumentée avec des expérimentations en milieu nucléaire (Boites à gants).

Avec le développement des lois de comportement et leurs implémentations dans le générateur de loi de comportement Mfront (https://tfel.sourceforge.net/) pour la plateforme Pleiade (https://www.youtube.com/watch?v=VIKY2gp0FeQ), ce sera pour le candidat, une entrée dans la communauté des mécaniciens du nucléaire (Cea, Edf, Framatome…etc) pour lesquels la mutualisation des lois de comportement est essentielle. L’utilisation de codes FEM comme Abaqus (Isight https://www.3ds.com/fr/produits-et-services/simulia/produits/isight-et-simulia-execution-engine/), Cast3M permettra au chercheur de travailler avec des outils de simulation très développés dans de multiples domaines (Nucléaire, Aéronautique…etc) et des physiques connexes. Cette étude (Macro) sera intimement liée aux études DEM (Micro) menées en parallèle mais également sur l’utilisation d’outils numériques innovants en lien avec le data matching, l’optimisation, les méta-modèles et la création d’un jumeau numérique de presse.