Etude du comportement à rupture de la zone HBS du combustible UO2 dans les réacteurs à eau pressurisée, par une approche micromécanique en condition accidentelle d’APRP

Studying of the fuel failure behaviour in PWR under LOCA condition using a micromechanical approach

• Auteur / Autrice : Coralie Esnoul
• Direction : Jean-Claude Michel, Rodrigue Largenton, Bruno Michel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 07/12/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence) - Département d'étude des combustibles (CEA Cadarache) - EDF Lab Les Renardières (Moret sur Loing)
• Jury : Président / Présidente : Carole Nadot-Martin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Besson, Daniel Baron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yann Monerie, Serge Kruch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression -- Perte de fluide de refroidissement

Micromécanique (physique du solide)

Fragmentation nucléaire

Combustibles nucléaires

Mécanique

Mots clés libres

Combustible nucléaire

Uo2

Aprp

Microstructure

Hbs

Fragmentation

Micromecanique

Rupture

Endommagement

Éléments finis

Uo2

Fuel

Fragments

Loca

Hbs

Microstructure

Fuel failure

Cracks mechanics

Fem

Résumé

La reproduction expérimentale de transitoires thermiques accidentels de type Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) en laboratoire a permis d’observer la fragmentation du combustible fortement irradié lorsque la gaine se déforme sous l’augmentation de la température. Ces fragments de petites tailles peuvent se relocaliser dans le ballon voire être éjectés hors du crayon cas de rupture de gaine. La zone High Burnup Structure (HBS) des combustibles fortement irradiés est la plus susceptible de se fragmenter et d’être relocalisée par sa position en périphérie de pastille. Pour expliquer ce phénomène, l’hypothèse retenue est que le transitoire provoque une surpression dans les bulles HBS ce qui mène à la décohésion des joints de grains et à la fragmentation. Cette thèse a pour but de développer un critère de fissuration mécanique du combustible pour mieux comprendre le comportement des bulles HBS lors des conditions thermiques APRP. Ce travail se base sur une méthode une méthode micromécanique en trois étapes : i) la représentation qui permet de caractériser la microstructure de la zone HBS (leurs dimensions, leur fraction volumique, et la pression interne). Deux sources d’informations seront utilisées : les observations expérimentales provenant de disques ou de pastilles de combustible irradiés à fort taux de combustion et d’outils numériques(avec Alcyone-Caracas [JSB+14])

Under Loss Of Coolant Accident(LOCA) transients conditions, the high irradiated fuel is fragmented in small sizes fragments who can be relocated in the balloon, or being ejected out of the fuel rod if the latter burst. This work focuses on the pellet rim, where bubbles density increases owing to a higher irradiation level. Usually the hypothesis used to explain fuel fragmentation during transient is grain cleavage induced by over pressurized fission gas bubbles, located at the grain boundary. The aim of this study is to define a macroscopic fragmentation model based on a micro mechanical approach to have a better understanding of the fuel mechanical behaviour at lower scale : size and volume fraction of fragments. This PhD introduces a stepwise micromechanical method based on three steps : i) firstly, we detail how to model the HBS microstructure including pressurized porosities, based on experimental or numerical data and define a representative volume element (RVE)