Laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M)

LE2M

Le laboratoire d’Expérimentation en Mécanique et Matériaux (LE2M) mène des expérimentations dans les domaines de la Mécanique, des Matériaux et en Thermohydraulique. Il est équipé de deux plateformes expérimentales dédiées à ces activités, MAESTRO et THEMAqui sont référencées dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities). 
Au sein du Service d'Etude et de Recherches EXpérimentales (SEREX), il est constitué de 16 collaborateurs, chercheurs, ingénieurs et techniciens, et accueille, en moyenne par an, 2 doctorants, 2 alternants et 2 stagiaires. Il est situé sur le centre de recherche de Cadarache, dans les Bouches du Rhône.
Au sein de l’IRSN, le laboratoire appartient au groupe thématique de recherche « Combustible en situations accidentelle », « Altération et vieillissement des matériaux du nucléaire » et « Thermohydraulique des systèmes nucléaires », a été agréé par l’HCERES en 2021. Il apporte également un soutien technique dans le cadre des expertises de sûreté.

Contexte

Le cœur de la recherche au LE2M concerne le comportement des assemblages combustibles en thermohydraulique et en comportement du matériau du gainage, du fonctionnement nominal (transport, entreposage en piscine de refroidissement…), en passant par l’accident de dimensionnement jusqu’à l’accident majeur. Le laboratoire est actuellement en train de se doter de moyens d’essai pour étudier la thermohydraulique spécifique des petits réacteurs modulaires (Small Modular Reactor, SMR). Une dernière activité du laboratoire est l’étude du vieillissement des structures en acier inoxydable et en alliage base nickel du circuit primaire, des phénomènes qui ont lieu en conditions nominales de fonctionnement de la centrale nucléaire.  
Le LE2M fournit ainsi des données expérimentales et des éléments de compréhension (identification des phénomènes physiques mis en jeu notamment) afin d’alimenter le développement et la validation des codes de calcul développés à l’IRSN par le Laboratoire d’Etude et de Modélisation du Combustible (LEMC) et le Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) ainsi que par le Laboratoire d'étude de la physique du corium (LEPC). Le laboratoire contribue également à l’instruction de dossier d’Expertise, en tant qu’unité spécialiste, en lien avec le Bureau de Statistique et d’Exploitation des Cœurs), le Bureau d’expertise des contrôles non destructifs et des matériaux et le Bureau d’Expertise des Équipements Mécaniques.
Ces besoins peuvent nécessiter le développement de dispositifs expérimentaux dédiés dont le laboratoire assure les spécifications, et confie le développement et la fabrication au Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E). 
Les travaux du laboratoire s’inscrivent dans les Groupes Thématiques de Recherche (GTR) « Vieillissement », « Combustible – Cœur – Chaudière » et « Fusion du cœur ».

Axes de recherche

GTR « vieillissement »

Dans le cadre des activités portant sur le Vieillissement, les travaux portent sur la fatigue des composants du circuit primaire et notamment l’effet de l’environnement sur ce phénomène, avec l’ambition d’étendre nos connaissances de ces effets avec la corrosion-sous-contrainte (CSC). Le laboratoire s’est doté d’une machine de fatigue équipée d’un récipient sous pression reproduisant les conditions de fonctionnement du circuit primaire, c’est le dispositif EVA.
Par ailleurs, les procédés de fabrication additive connaissent une croissance forte et un intérêt croissant pour le Fabricant et l’Exploitant des centrales nucléaires française et nous nous intéressons donc au lien entre ces procédés innovants et les propriétés en fatigue et en corrosion des composants ainsi obtenus.
Nous avons participé et participons à des programmes de recherche de la communauté européenne : INCEFA PLUS (grant agreement 662320), INCEFA SCALE (grant agreement 945300), NUCOBAM (grant agreement 945313) ou encore POEAM.

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Observation au Microscope Electronique à Balayage (MEB) de la zone où l’éprouvette s’est rompue en fatigue. Les stries observées représentent les arrêts de la fissure à chaque cycle de sollicitation. Les distances entre celles-ci donnent une information sur l’évolution de la vitesse de la fissure au cours de l’essai. ©Joseph HURET

GTR « Combustible – Cœur – Chaudière »

  • Comportement des matériaux du gainage combustible en conditions APRP

L’APRP, pour « Accident de Perte de Refroidissement Primaire », désigne un accident de dimensionnement résultant de la perte d’eau dans le circuit primaire. Les assemblages combustibles se retrouvent alors exposés à une atmosphère de vapeur d’eau insuffisante à leur refroidissement et chauffent rapidement. Soumis à ces rampes de température, les matériaux de gainage subissent plusieurs mécanismes (oxydation, changement de phases et diffusion d’oxygène et d’hydrogène principalement) qui vont en modifier les propriétés mécaniques. Le matériau va également fluer à haute température, ce qui va se traduire, du fait de la pressurisation interne de la gaine, par la formation de ballons. 

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Ballon formé lors d’un essai COCAGNE. ©Cristina Dominguez

A noter que lorsque les gaines ballonnent, les canaux de circulation de l’eau entre les crayons s’en retrouvent réduits ce qui rend encore plus difficile la possibilité de les refroidir. Ces interactions entre phénomènes physico-chimiques dans la matière et la thermohydraulique de l’assemblage combustible ont été étudiés dans le programme PERFROI, avec des essais réalisés dans le dispositif COCAGNE et des essais COAL réalisés à STERN LAB (Canada).  
Le laboratoire dispose de boucles expérimentales pour étudier chacun de ces mécanismes de façon individuelle mais également les effets de synergies entre ces mécanismes. C’est notamment le cas du dispositif ECSIT qui permet de réunir les conditions de ballonnement et d’oxydation dans des conditions représentatives de l’APRP.

Les perspectives dans ces domaines sont tournées vers les nouveaux matériaux de gainage tels que les Accident Tolerant Fuel (ATF) et notamment les matériaux de gainage en alliage de zirconium revêtu de chrome pour en améliorer la tenue en conditions accidentelles. Le laboratoire collabore avec d’autres organismes de recherche internationaux dans le cadre du projet OCDE « Quench ATF ».

  • Interaction fluide-structure

Un obstacle placé dans l’écoulement d’un fluide va se mettre à vibrer selon des fréquences qui sont dépendantes de la géométrie et des dimensions du système et des propriétés du fluide (vitesse, viscosité…). Un cas d’application de cette problématique concerne les générateurs de vapeur. Ces composants transmettent la température du circuit primaire au circuit secondaire. Pour cela, l’eau du circuit primaire circule dans des tubes plongés dans l’eau du circuit secondaire. La température de la première a pour effet de vaporiser la seconde. Cette vapeur entraîne ensuite les turbines génératrices d’électricité. 
Ce mélange, dit « diphasique », d’eau à l’état liquide et de vapeur, génère les vibrations des tubes. Nous essayons de reproduire ces vibrations en laboratoire sur le dispositif TREFLE. 
Cette activité expérimentale s’inscrit dans le programme européen GO VIKING (grant agreement 101060826).

  • Thermohydraulique des piscines de refroidissement du combustible
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Dispositif MIDI du centre IRSN de Cadarache. ©Philippe Dureuil, Médiathèque IRSN

Chaque centrale nucléaire dispose d’une piscine accueillant le combustible neuf qui va être chargé dans le cœur ainsi que les assemblages usagés en cours de refroidissement. La situation étudiée est celle d’une perte accidentelle de la fonction de refroidissement de cette piscine. A partir de ce scenario, deux thématiques sont étudiées :

  1. Quels sont les mécanismes de vaporisation dans la colonne d’eau au-dessus des assemblages combustibles ?
  2. Dès lors que la perte de fonction de refroidissement dure trop longtemps et que les assemblages sont dénoyés au moins partiellement, quelle est l’efficacité des moyens d’aspersion pour les refroidir ?

Ces sujets font l’objet des dispositifs expérimentaux MIDI et ASPIC respectivement.   
Ces activités ont été soutenues par le programme DENOPI puis par le programme POLCA.

  • Thermohydraulique des petits réacteurs modulaires

Dans l’objectif de préparer les futurs dossiers d’Expertise sur la thématique des Small Modular Reactors (SMR), le laboratoire est en train de se doter de deux nouvelles boucles expérimentales : ALCINA et KOKOMO dédiées respectivement à l’étude des systèmes de sûreté passifs par convection naturelle, et aux phénomènes de convection et de condensation d’une enceinte immergée en situation accidentelle. 
Le développement de ces deux nouvelles installations se fait dans le cadre du projet PASTIS, financé par l’ANR.

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Vue depuis l’intérieur de PEARL. ©Jean-Marie Huron, Médiathèque IRSN

GTR « fusion du cœur » 

Enfin, dans le cas d’un accident majeur ayant mené à la fusion du cœur, nos activités de R&D portent sur la refroidissabilité du lit de débris ainsi formé avec, d’une part, l’étude de la progression de l’eau dans ce lit ainsi que la production de vapeur qui en résulte ; activité qui nous a amené à développer un dispositif expérimental dédié, PEARL ; et, d’autre part, la détermination du flux critique en fonction de l’inclinaison du lit et des débits eau et vapeur sur les dispositifs Masses Compactes. Le programme de recherche en lien avec cette activité est PROGRES.

Équipements et logiciels

Sur la plateforme expérimentale MAESTRO :

  • une microsonde de Castaing CAMECA SX100
  • un microscope électronique à balayage ZEISS Sigma 500 VP
  • un laboratoire de préparation métallographique permettant la découpe, l’enrobage, le polissage et l’observation en microscopie optique des échantillons
  • COCAGNE : un banc d’essai permettant d’étudier l’influence des crayons voisins sur le ballonnement d’un crayon combustible en conditions APRP
  • ECSIT : un banc d’essai semi-intégral permettant de simuler l’oxydation et le ballonnement du crayon en conditions APRP
  • EVA : une machine de fatigue associée à un équipement sous pression permettant de réaliser des essais de fatigue en environnement primaire REP

Sur la plateforme expérimentale THEMA :

  • PEARL et masses compactes : étude en thermohydraulique du refroidissement d’un lit de débris
  • MIDI et ASPIC : étude des effets de la fonction de refroidissement sur les piscines d’entreposage de combustible
  • TREFLE : thématique de l’intéraction fluide-structure appliquée aux générateurs de vapeur
  • ALCINA et KOKOMO : deux installations expérimentales en cours de conception et dédiées aux thématiques thermohydrauliques des systèmes passifs des Small Modular Reactors
  • Boucle d’essais de STERN Lab (Canada) dans laquelle ont été réalisées les campagnes d’essais de renoyage COAL 
  • VIKTORIA : boucle d’essais exploitée par Vuez (Slovaquie) pour l’étude de la filtration des puisards

Partenariat et réseaux de recherche

Partenaires académiques

  • INSA de Lyon
  • Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse
  • Institut P’ à Poitiers

Partenaires scientifiques et industriels

Via les projets auxquels il participe, le laboratoire s’est constitué un réseau de collaborations à l’échelle nationale et internationale.
En France, on y retrouve les acteurs principaux du nucléaire : le CEA, FRAMATOME et EDF. A l’international, on notera principalement le Karlsruhe Institute of Technology (KIT) et le Paul Scherrer Institute (PSI).

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Laboratoires IRSN partenaires

Équipe de recherche

Membres permanents 

  • Jacques Di SALVO, chef du labo par intérim
  • Olivier BOUYGUES, technicien en thermohydraulique
  • Lucas ROTILLY, chercheur en Thermohydraulique
  • Thomas NAUDIN, chercheur en Thermohydraulique
  • Nicolas CILLIERES, technicien en mécanique et matériaux
  • Jérôme DELON, technicien d’exploitation
  • Cristina DOMINGUEZ, Dr, chercheuse en mécanique et matériaux (https://orcid.org/0009-0004-3419-7451, HAL 1209920)
  • Thierry GARCIN, ingénieur de recherche en thermohydraulique
  • Séverine GUILBERT-BANTI, Dr, chercheuse en mécanique et matériaux (https://orcid.org/0000-0003-3817-9248, HAL 1071066)
  • Joseph HURET, Ing, ingénieur de recherche en mécanique et matériaux (https://orcid.org/0000-0001-5553-8471)
  • Pauline LACOTE, technicienne en mécanique et matériaux
  • Jonathan QUIBEL, Dr Ing, chercheur en mécanique et matériaux
  • Christine SARTORIS, Ing, ingénieur de recherche en thermohydraulique (https://orcid.org/0009-0001-5353-7317 , HAL 1255389)
  • Frédéric VICAIRE, technicien en thermohydraulique
  • Gaelle VILLEVIEILLE, technicienne en mécanique et matériaux
  • Alice VIRETTO, technicienne en mécanique et matériaux

Membres non permanents

Doctorants

  • Apou Martial Kpemou (début de thèse en 2021)
  • Kushal Jayaram (début de thèse en 2022)
     

Thèses et publications

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  • Chef de laboratoire

    Walter-John CHITTY

  • Coordonnées

    IRSN/PSN-RES/SEREX/LE2M
    Laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux 
    Centre de Cadarache
    BP 3
    13115 Saint Paul lez Durance Cedex