Développement d’un processus de fabrication additive d’un simulant de combustible irradié pour l’étude de la fragmentation fine en APRP

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Prise de fonction : Au plus tôt juin 2021

Durée : 18 mois

Lieu de travail : Pôle Européen de la céramique à Limoges, Laboratoire d’Etude en Mécanique et Matériaux (IRSN) à Cadarache

Contexte général
L'IRSN ainsi que les partenaires industriels étudiant le comportement accidentel des combustibles cherchent depuis très longtemps à fabriquer des combustibles simulant le comportement du combustible irradié. Il est difficile de représenter parfaitement toutes les caractéristiques du combustible irradié. Nous proposons ici d'explorer la capacité de fabriquer des pastilles en céramique présentant des caractéristiques maîtrisées et reproductibles vis-à-vis de la fragmentation du combustible. Les essais semi intégraux en APRP ont montré que les combustibles à haut taux de combustion se fragmentent et la physique des phénomènes est encore mal comprise. Néanmoins cette propension à se fragmenter que nous désignerons comme la fragmentabilité est étudiée par le biais de nombreux programmes : ANL, Halden, SCIP. A titre d'illustration, la métallographie de l'essai IFA-650.5 illustre parfaitement quelques aspects importants de cette fragmentation avec une forte fragmentation dans la zone sombre qui constitue une couronne interne à la pastille partiellement restructurée.

Cette fragmentation a des conséquences sur de nombreux phénomènes affectant la sûreté des réacteurs, notamment en APRP  la relocalisation du combustible et l'éjection de petits fragments dans le circuit primaire.


Synthèse de l'état de l'art
Les études montrent que la fragmentabilité du combustible résulte principalement de la présence de porosités [SAL15] ou de bulles de gaz de fission intergranulaires fragilisant les joints de grains [NOI11, MOA14] et facilitant la séparation des grains lorsque ceux-ci sont soumis à un choc thermique ou mécanique.

Très récemment une étude de Ma [MA20] a montré la capacité de représenter des modèles de Conception Assistée par Ordinateur (CAO) de monocristaux inscrits dans la géométrie cylindrique d'une pastille. Les grains sont maillés au moyen d'éléments tétraédriques. Les grains subissent une légère diminution de taille permettant de constituer un joint de grains ouvert. Des outils de maillage envisageables pour ce type d'opération sont : Grasshopper  (https://www.grasshopper3d.com/) ou Neper (https://neper.info/).

La maitrise de ce savoir-faire permet d'envisager deux types d'exploitation des résultats très complémentaires :

• simulation numérique des combustibles fragmentés,
• impression 3D céramique de pastilles simulantes pour la réalisation d'essais de laboratoire.

La grande reproductibilité des impressions 3D permet d'envisager des études expérimentales à très fort caractère analytique venant alimenter et compléter la réflexion des modélisateurs.

[SAL15] M. Salvo, J. Sercombe, T. helfer, P. Sornay, T. Desoyer, "Experimental characterization and modeling of UO2 garin boundary cracking at high temperature and strain rates", Journal of Nuclear Materials 460(2015) 184-199.

[NOI11] L. Noirot "MARGARET: A comprehensive code for the description of fission gas behavior", Journal of Nuclear Matreials 241 (2011) 2099-2118.

[MOA14] A. Moal, V. Georgenthum, O. Marchand, "SCANAIR: A transient fuel performance code – Part one: General modeling description", Nuclear Engineering and Design 280(2014) 150-171.

[MA20] Z. Ma, K. Shirvan, G.H. Su, « A three-dimensional axial fuel relocation framework with discrete element method to support burnup extension", Journal of Nuclear Materials 541(2020) 152408.


Objectifs
Principales étapes proposées
Trois étapes principales sont envisagées dans ce travail :

• réalisation de la CAO des pastilles (4-6 mois),
• réalisation d'impressions 3D (4-6 mois),
• évaluation du comportement mécanique des pastilles céramiques en fonction de quelques caractéristiques morphologiques (4-6 mois).

Les deux premières étapes devront être réalisées en partenariat avec des laboratoires maitrisant les techniques d'impression céramique et disposant des outils associés. La dernière étape sera  menée dans les laboratoires de l'IRSN.

Le travail sera encadré par Fabrice Rossignol de l'IRCER, Jean Desquines et Tatiana Taurines de l'IRSN. On s'appuiera sur deux techniques principales présentant un fort potentiel pour cette recherche :

• Le binder jetting qui permet de lier des poudres avec une résolution spatiale de l'ordre de 0.1 mm,
• La photo polymérisation par écran LCD qui est une technique low-cost en pleine expansion dont les performances en résolution spatiale sont amenées à croitre très vite. En combinant cette technique permettant de fabriquer des « templates » (moules) avec une résolution de 0.01 à 0.02 mm environ dans lesquels on pourrait injecter une suspension colloidale de céramique permettrait d'aller construire des microstructures extrêmement fines et pour lesquelles on pyrolyserait finalement le template pour ne plus laisser que la céramique.
  
  Les résultats des travaux seront publiés dans un journal scientifique à la fin du post-doctorat.

 
Profil du candidat 
Le candidat dispose d'un doctorat en matériaux ou dédié à la mise en œuvre de techniques de fabrication additive pour l'élaboration de matériaux.