Soutenance de thèse de Mourad TEMMAR

Le cadre de cette thèse porte sur la modélisation du comportement thermomécanique sous irradiation du combustible des réacteurs à neutrons rapides (RNR). Plus particulièrement, le but de cette thèse est d’améliorer la compréhension et la modélisation des phénomènes responsables du rattrapage du jeu séparant initialement le combustible de la gaine qui l’entoure. Une simulation réaliste du phénomène de rattrapage de jeu permet de mieux évaluer la température du combustible, grandeur cruciale pour garantir le respect du critère de non-fusion du combustible. Dans un premier temps, les phénomènes responsables du rattrapage du jeu combustible-gaine sont identifiés. À partir d’observations expérimentales, nous identifions que la réduction de taille du jeu combustible-gaine semble être liée principalement à deux phénomènes: le premier, déjà connu dans la littérature, est l’effet de la fragmentation du combustible et le second, peu décrit dans les modèles existants, est relié au phénomène de migration des porosités fermées (fabrication) et ouvertes (fissures) menant à la formation du trou central (observée dans les combustibles RNR) et à la guérison partielle des fissures créées lors de la première montée en puissance. À l’aide de simulations, l’impact de ces deux phénomènes a pu être représenté et une analyse quantitative confirme la nécessité de les prendre en compte. Dans un deuxième temps, à partir des résultats obtenus avec les simulations 3D, une formulation 1D permettant de représenter ces deux phénomènes est proposée. Le rattrapage du jeu combustible-gaine est simulé à l’aide d’une déformation anélastique dite de délocalisation et la migration des porosités est représentée par l’équation d’advection. Cette formulation est ensuite implémentée dans le schéma de calcul multi-physique du code de calcul 1D RNR GERMINAL. L’objectif est de remplacer la déformation anélastique empirique de délocalisation utilisée jusqu’à présent dans GERMINAL. Grâce à ces nouveaux développements, la simulation du rattrapage du jeu combustible-gaine ainsi que l’évaluation de la température du combustible, sont en meilleure adéquation avec les résultats expérimentaux. Le nouveau modèle 1D a une justification physique complète et par conséquent, est plus prédictif. Dans notre modélisation 1D, nous avons fait l’hypothèse que la vitesse de migration des porosités fermées (pores de fabrication) et ouvertes (fissures) était identique. Or dans la littérature, seule la vitesse de migration des porosités fermées a été évaluée. Notre hypothèse reste donc à être validée. Une contribution à cette validation est proposée avec une analyse 2D des mécanismes de transfert de matière par évaporation condensation au voisinage des surfaces libres créées par les fissures. L’équation de transfert de chaleur et de migration de porosité sur un modèle 2D d’un fragment de combustible est résolue, puis les volumes moyens transférés par les porosités sont comparés dans un cas où il n’y a que les porosités fermées et dans l’autre, où il y a uniquement des porosités ouvertes pour une même durée donnée et pour une porosité initiale totale identique. Ce travail a été réalisé dans le cadre d’un programme coopératif entre le CEA, FRAMATOME et EDF, dévoué au développement des éléments combustibles pour les Réacteurs de GENIV.

This thesis takes place within the framework of modeling sodium fast neutron reactor fuel (SFR) thermomechanical behavior under irradiation. We focus on the comprehension and modeling the phenomena responsible of the closure of the gap, separating initially the fuel from its surrounding cladding. A realistic simulation of the gap closure phenomenon leads to a better evaluation of the fuel temperature, which is of the first importance to meet the fuel non-fusion criterion requirement. Firstly, phenomena responsible of the fuel-to-cladding gap closure are identified. From experimental observations, we can identify that the size reduction of the fuel-to-cladding gap seems to be mainly related to two phenomena. The first one, already known in the literature, is the effect of fuel fragmentation. The second one, so far poorly described in existing models, is related to the migration phenomenon of closed (manufacturing) and open (cracking) porosities leading to the central hole formation (observed in SFR fuels) and partial healing of cracks created during the first power increase. Thanks to 3D simulations, the impact of these two phenomena is represented and a quantitative analysis confirms they need to be taken into account. In a second step, a 1D formulation derived from 3D simulations is proposed. This formulation includes the two identified phenomena. The fuel-to-cladding gap closure is simulated by an inelastic strain called relocation strain while the porosities migration is modeled through an advection equation. This formulation is then implemented in the multiphysics computation scheme of the GERMINAL SFR 1D software. The main objective is to replace the empirical inelastic relocation strain used until now in GERMINAL. Thanks to these new developments, the simulation of the fuel-to-cladding gap closure as well as the evaluation of the fuel temperature, are in better agreement with the experimental results. The new 1D model has a complete physical justification and is therefore more predictive. In our 1D modeling, we have assumed that the migration velocities of the closed (manufacturing pore) and open (crack) porosities are the same. However in the literature, only the closed porosity migration velocity has been evaluated. Our hypothesis therefore remains to be validated. A contribution to this validation is proposed with a 2D analysis of the evaporation condensation transfer mechanism near the free surfaces created by cracks. This analysis consists in solving heat transfer and porosity migration on a 2D representation of a fuel fragment and then comparing the average volumes transferred by the porosities in a case where there are only closed porosities and in the other case where there are only open porosities for a given time and for an identical total initial porosity. This work has been done within the framework of a cooperative program between CEA, FRAMATOME and EDF, devoted to the development of the fuel elements for GENIV Reactors.