Soutenance de thèse de MOURA VIDAL Guilherme
Titre de thèse
Etude du fluage d'assemblage de combustible en interaction fluide-structure
Study of fuel assembly creep in fluid-structure interaction
Résumé de la thèse
La quête constante d'une plus grande productivité en énergie électrique suscite de
plus en plus de recherches liées à l'efficacité et à la sûreté des mix énergétiques, notamment dans industrie nucléaire et concernant la sûreté de ses réacteurs. Ceux-ci sont
constamment à l'étude, spécialement pour comprendre les phénomènes physiques
auxquels les éléments combustibles sont soumis. Lors de leur séjour dans un réacteur à eau sous pression, les éléments combustibles sont soumis à des sollicitations
mécaniques, thermiques et hydrauliques. Leur géométrie change, plus précisément,
les crayons et assemblages de combustibles s'allongent et se déforment latéralement
du fait du phénomène de fluage sous irradiation et d'écoulement d'eau. En raison
des conditions d'utilisation de plus en plus exigeantes est nécessaire de comprendre
l'interaction du mécanisme de fluage avec la distribution du flux d'eau dans le faisceau de crayons déformé pour améliorer la robustesse des conceptions d'assemblages
de combustibles. Il s'agit donc d'un problème d'interaction fluide-structure dans
lequel le mécanisme de rétroaction couplée entre la distribution du débit d'eau et la
déformation de fluage de la structure joue un rôle dominant. Actuellement, dans la
littérature, il existe un manque en termes de résultats expérimentaux pour la mise en
œuvre du couplage hydraulique et mécanique de la réponse au fluage. Les crayons de
combustibles prenant des années pour que le phénomène de fluage se produise sous
irradiation, ce qui rend les études expérimentales irréalisables, il a été nécessaire, pour
ce type de couplage, de définir des matériaux adaptés à l'observation en laboratoire.
Pour une première approche, un dimensionnement basé sur les forces fluide-structure
et le matériau choisi a été réalisé. L'objectif principal est de développer une nouvelle
approche expérimentale pour valider des outils de calcul, avec une précision suffisante, capable de reproduire l'évolution des déformations, dans un environnement
d'interaction fluide-structure forte à l'intérieur du réacteur. L'approche a consisté à
tirer parti de la réponse viscoplastique rapide des matériaux dans des modèles d'assemblage à petite échelle, à basse pression et températures modérées, pour capturer
la phénoménologie de la déformation d'un faisceau-tige sous l'écoulement de l'eau.
Pour observer ce phénomène, la Vélocimétrie Laser Doppler (LDV), une méthode de
mesure optique, a été utilisée pour caractériser suffisamment l'écoulement autour
des tiges, et des caméras ont également été utilisées pour observer le déplacement des
assemblages au fil du temps. Pour une meilleure compréhension des forces fluides, la
Dynamique des Fluides Numérique (CFD) a été utilisée pour simuler l'écoulement
de l'eau autour des assemblages déformés. Grâce à cela, il a été possible d'établir
des équivalences entre les conditions expérimentales et les conditions de simulation.
Ainsi, il a été possible d'avoir une meilleure compréhension de l'interaction entre
les forces fluides, les déformations structurelles, lorsque des déformations de fluage fortement non linéaires des structures sont impliquées
Thesis resume
The constant quest for greater productivity in electrical energy is increasingly driving research related to the efficiency and safety of energy mixes, particularly in the
nuclear industry and concerning the safety of its reactors. These reactors are constantly being studied, especially to understand the physical phenomena to which the fuel elements are subjected. During their stay in a pressurized water reactor, the fuel
elements are subjected to mechanical, thermal, and hydraulic stresses. Their geometry
changes; more precisely, the fuel rods and assemblies lengthen and deform laterally
due to the phenomenon of creep under irradiation and water flow. Due to increasingly
demanding usage conditions, it is necessary to understand the interaction of the creep
mechanism with the distribution of water flow in the deformed rod bundle to improve
the robustness of fuel assembly designs. This is, therefore, a fluid-structure interaction
problem in which the coupled feedback mechanism between water flow distribution
and structural creep deformation plays a dominant role. Currently, there is a lack of
experimental results in the literature for the implementation of the hydraulic and
mechanical coupling of the creep response. Since fuel rods take years for the creep
phenomenon to occur under irradiation, making experimental studies unfeasible, it
has been necessary for this type of coupling to define materials suitable for laboratory
observation. For a first approach, a design based on fluid-structure forces and the
chosen material was carried out. The main objective is to develop a new experimental
approach to validate calculation tools, with sufficient accuracy, capable of reproducing the evolution of deformations in a strong fluid-structure interaction environment
inside the reactor. The approach consisted of leveraging the rapid viscoplastic response of materials in small-scale assembly models, at low pressure and moderate
temperatures, to capture the phenomenology of the deformation of a rod bundle
under water flow. To observe this phenomenon, Laser Doppler Velocimetry (LDV), an
optical measurement method, was used to sufficiently characterize the flow around
the rods and also cameras were used to observe the displacement of the assemblies
along time. For a better comprehension of the fluid forces, Computational Fluid
Dynamics (CFD) were used to simulate the water flow around deformed assemblies.
Thanks to this, it was possible to establish equivalences between experimental and
simulation conditions. Thus, it was possible to gain a better understanding of the
interaction between fluid forces and structural deformations when highly nonlinear
creep deformations of structures are involved.