Contribution à la modélisation du couplage mécanique-chimique de l'évolution de l'interface pastille-gaine sous irradiation

par Jean-Baptiste Minne

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Tony Montesin et de Virgil Optasanu.

Soutenue le 19-12-2013

à Dijon , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Dijon) , en partenariat avec Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (Dijon) (laboratoire) et de Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (laboratoire) .

Le président du jury était Yves Wouters.

Le jury était composé de Lionel Desgranges, Gilles Thouvenin, François Valdivieso.

Les rapporteurs étaient Eric Andrieu, Marcel A.J. Somers.


  • Résumé

    Dans un souci de démontrer l'intégrité de l'ensemble des crayons composant les assemblages combustibles utilisés dans les centrales nucléaires, EDF R&D développe depuis plusieurs années le code de calcul CYRANO3. Ce dernier a pour but principal de modéliser le comportement du combustible nucléaire en condition normale et incidentelle par une description "1,5D" du crayon. Cette thèse, fruit d'une collaboration entre EDF R&D, le CEA et l'Université de Bourgogne, s'inscrit dans une démarche d'intégration dans CYRANO3 du phénomène de corrosion interne de la gaine qui pourrait influer sur le comportement de concepts de couples pastille-gaine à l'étude chez EDF. En effet, lors de la combustion en réacteur nucléaire à eau pressurisée (REP), le gonflement de la pastille associé au fluage en compression de la gaine conduit à la fermeture du jeu pastille-gaine et à l'établissement d'un contact fort. Conjointement à l'évolution de ce contact, une couche de zircone d'environ 10 µm d'épaisseur se développe en face interne de gaine, d'abord localement, puis s'étend de plus en plus. D'après les examens métallographiques, il apparaît que c'est à cause de cette couche de zircone que la pastille et la gaine adhèrent à fort taux de combustion, constituant le phénomène de corrosion interne.\\L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les mécanismes prépondérants qui mènent, après formation, à la croissance de cette couche, dans l'optique d'apporter une aide à l'analyse de différents couples pastille-gaine. Pour cela, il s'avère pertinent, dans un premier temps, d'utiliser un modèle thermodynamique couplant la mécanique et la diffusion d'oxygène dans la gaine, afin de simuler les interactions mécano-chimiques pastille-gaine qui accompagnent le développement de la couche de zircone interne. Il apparaît que le rôle des contraintes mécaniques est surtout lié aux propriétés de la gaine et non à l'interaction mécanique entre la pastille et la gaine.\\Un composant informatique est ensuite créé. Il permet de simuler la cinétique de croissance de zircone interne, basée sur une transposition 1D de la modélisation précédente, ainsi que la migration balistique des produits de fission. Associé à l'environnement de calcul thermochimique d'EDF R&D, qui intègre un code de neutronique et un code de thermochimie, il est utilisé en post-traitement de CYRANO3 pour analyser 3 concepts de gainage industriel (gaine standard, gaine pré-oxydée, gaine avec liner) dans leurs conditions de fonctionnement normal en REP vis-à-vis du phénomène de corrosion interne. Les résultats obtenus montrent l'intérêt d'analyser finement les comportements mécaniques et chimiques de l'interface pastille-gaine afin de différencier ces 3 concepts de gaine vis-à-vis de leurs propriétés d'adhérence avec la pastille. Cette étude ouvre ainsi la porte à des investigations expérimentales plus poussées ainsi qu'à l'enrichissement de la modélisation proposée.


  • Résumé

    Pas de résumé en anglais.


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