Modélisation du comportement élastique des matériaux nanoporeux : application au combustible UO2

Le dioxyde d’uranium irradié (UO₂), combustible nucléaire des réacteurs à eau pressurisée, contient deux populations de cavités saturées par des gaz de fission : i. des cavités intergranulaires plutôt lenticulaires, dont la taille varie de quelques dizaines à plusieurs centaines de nanomètres, ii. des cavités intragranulaires plutôt sphériques, dont la taille est de l’ordre du nanomètre. Des travaux récents ont montré qu’il existe un effet de surface à l’échelle des cavités nanométriques qui modifie le comportement élastique effectif du combustible.

Ce travail vise à proposer un modèle micromécanique analytique capable de tenir compte de cette microstructure hétérogène ainsi que de l’effet de surface afin de décrire le comportement élastique macroscopique de l’UO₂ irradié. La démarche mise en œuvre est fondée sur une modélisation multi-échelles et s’appuie sur des techniques d’homogénéisation en mécanique des matériaux. L’UO₂ irradié est décrit comme un matériau poreux contenant des nanocavités sphériques (cavités intragranulaires) et sphéroïdales (cavités intergranulaires), sous pression et orientées aléatoirement. L’effet de surface présent à l’échelle nanométrique est pris en compte via un modèle d’interface imparfaite cohérente entre la matrice et les cavités. Un modèle original fondé sur l’approche par motifs morphologiques représentatifs a été développé afin de décrire le comportement élastique effectif de ce milieu hétérogène. Le modèle analytique proposé repose sur des hypothèses simplificatrices dont la pertinence est évaluée à partir de simulations numériques par éléments finis qui s’appuient sur une formulation spécifique afin de tenir compte de la présence d’interfaces imparfaites cohérentes.