Laboratoire d’Etude et de Modélisation du Combustible (LEMC)

Le laboratoire a pour objectif d’améliorer la sûreté du combustible nucléaire en situations normale, incidentelle ou accidentelle. Les accidents étudiés sont principalement les accidents de réactivité, les accidents de perte de réfrigérant primaire, les accidents de perte de refroidissement de piscine de désactivation ou bien les accidents de manutention ou d'entreposage en piscine.
Pour cela, le laboratoire modélise les phénomènes thermomécaniques, thermochimiques et thermohydrauliques intervenant dans et autour du combustible et sa gaine au sein des assemblages de crayons de combustible.
Il développe des méthodologies et des logiciels de calcul nécessaires aux études de sureté des installations nucléaires et apporte son soutien à l'utilisation de ces logiciels. Il contribue à la définition, à la préparation, au suivi, à l'analyse et l'interprétation d'essais de programmes expérimentaux sur le combustible nucléaire.
Les logiciels développés, validés, maintenus et diffusés sous licence par le laboratoire sont rassemblés au sein de la plateforme logicielle FUEL+  ; il s'agit des logiciels FIRST, SCANAIR , CIGALON, DRACCAR  et SHOWBIZ.

Le laboratoire participe à la définition, au suivi et à l’interprétation de programmes expérimentaux relatifs au combustible nucléaire. Ces programmes sont plus ou moins complexes et onéreux, allant d’expériences à effets séparés pour la compréhension d’un phénomène particulier à des expériences intégrales où un grand nombre de phénomènes sont pris en compte.
Ces expériences peuvent être réalisées sur des matériaux simulants ou bien sur des matériaux réels du combustible, irradiés ou non, dans des conditions plus ou moins représentatives des réacteurs à eau pressurée (dimension, chauffage, conditions thermohydraulique…).
Les résultats expérimentaux sont exploités pour le développement de modèles physiques et leur retranscription en modèles numériques implantés dans les logiciels de la plateforme FUEL+. Ils peuvent également être exploités pour valider des modèles existants puis utilisés pour interpréter de nouveaux essais expérimentaux.

Accident d’insertion de réactivité (RIA)

Concernant l’accident de réactivité (en anglais Reactivity Injection Accident ou RIA), tel que l’éjection d’une grappe de commande (EDG) suite à la rupture de son mécanisme, les principaux programmes expérimentaux sont les programmes OCDE CABRI International Program (CIP ) piloté par l’IRSN et réalisé dans le réacteur CABRI à Cadarache, et High-burnup Experiments in Reactivity initiated Accident (HERA ) réalisé dans les réacteurs TREAT de l’Idaho National Laboratory aux USA et NSRR de JAEA au Japon.
Ces programmes permettent de développer et valider les modèles du logiciel SCANAIR de FUEL+ relatifs à l’interaction entre les pastilles de combustible et sa gaine, la crise d’ébullition et son impact sur la thermique du combustible, le relâchement et le transport de gaz de fission, leur impact sur la déformation et l’éclatement de la gaine.

Accident de perte de refroidissement primaire (APRP)

Concernant l’accident de perte de réfrigérant primaire (APRP), les principaux programmes expérimentaux sont le programme français ANR PERFROI piloté par l’IRSN, les programmes OCDE Halden (Norvège), SCIP (Suède) et QUENCH-ATF (Allemagne). Ces programmes permettent de développer et valider les modèles du logiciel DRACCAR de FUEL+ relatifs à la déformation et l’éclatement de la gaine, la fragmentation et la relocalisation du combustible dans le crayon combustible, l’impact du contact entre crayons sur la déformation de ces crayons ainsi que leur refroidissabilité par l’injection d’eau des systèmes de secours. Le domaine d’application de DRACCAR a été étendu à l’analyse des accidents de perte de refroidissement ou perte de réfrigérant des piscines d'entreposage de combustible. Dans ce domaine, les principaux programmes expérimentaux exploités sont le programme américain OCDE Sandia Fuel Project (SFP) et le programme français ANR DENOPI piloté par l’IRSN.
Les connaissances développées par le laboratoire sont mises à profit de la communauté scientifique sur le nucléaire via des publications dans des revues à comité de lecture, des contributions à des rapports internationaux (OCDE, AIEA, Commission Européenne…) et la possibilité de diffusion sous licence des logiciels de la plateforme FUEL+.
Les compétences et métiers du laboratoire sont les suivants :

• Physico-chimie et thermochimie des matériaux (oxydation, hydruration, nitruration de gaines en alliage de zirconium)
• Physique du solide (changement de phases, diffusions solide/solide, gaz/solide.)
• Mécanique des structures, comportements des structures (élastique, plastique, viscoplastique), mécanique de la rupture
• Mécanique des fluides des milieux multiphasiques
• Thermique des matériaux à propriétés variables
• Transferts de chaleur, notamment l'interaction thermique de type explosif entre eau et matériaux à hautes températures
• Mathématiques appliquées, modélisation numérique et informatique

Logiciels de la plateforme FUEL+ 

Logiciels tiers :

Le laboratoire apporte des éléments de réponse aux besoins issus de l’analyse de sûreté. Pour cela, le laboratoire réalise des études ciblées sur le comportement du combustible en situations normales, incidentelles et accidentelles, notamment à l’aide des logiciels qu’il développe et maintient à l’état de l’art.
Le laboratoire contribue au développement de méthodologies pour l’évaluation de la refroidissabilité d’un cœur de réacteur soumis à un accident de perte de réfrigérant primaire ou pour l’analyse des conséquences radiologiques d’un accident de dimensionnement dans le cadre du projet européen H2020 Reduction of Radiological Consequences of design basis and design extension Accidents (R2CA) piloté par l’IRSN.

Principaux partenaires nationaux

• Laboratoire d'énergétique et de mécanique théorique et appliquée (LEMTA, Nancy)
• Centre d'énergétique et de thermique de Lyon (CETHIL, INSA Lyon)
• Acteurs français du nucléaire : CEA, EDF, Framatome

Principaux partenaires internationaux

• NRC (États Unis)
• INL (États Unis)
• PNNL (États Unis)
• NRA (Japon)
• JAEA (Japon)
• KINS (Corée du Sud)
• KAERI (Corée du Sud)
• VTT (Finlande)
• SSM (Suède)
• ENEA (Italie)
• KIT (Allemagne)

Laboratoires IRSN partenaires

• Laboratoire de statistique et des méthodes avancées (LSMA)
• Laboratoire d’expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M)
• Laboratoire d’expérimentation en pile (L2EP)
• Laboratoire d’étude des transferts de radioéléments (LETR)
• Laboratoire d’étude de la physique du corium (LEPC)
• Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E)

Frédéric Cousin (Dr), chef de laboratoire, n°ORCID 0009-0000-5195-6764
Timothée Achard, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Sébastien Belon, ingénieur (mécanique du fluide / thermique)
Alessandra Del Masto, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Vincent Georgenthum, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Tony Glantz, ingénieur (mécanique du fluide / thermique)
Marine Guémas, chercheur (mécanique du fluide / thermique)
Cédric Leclere, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Juan Esteban Luna Valencia, chercheur (mécanique du fluide / thermique)
Alain Moal, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Maxime Salvo, chercheur (mécanique du solide / matériaux)
Tatiana Taurines, chercheur (mécanique du solide / matériaux

Thèses

• Apou Martial Kpemou (2021-2024) : Hydruration secondaire et fragilisation d’une gaine M5 après sollicitation de type accident de perte de réfrigérant primaire

• Juan Esteban Luna Valencia (2019-2022) : Étude du refroidissement d’un assemblage combustible par un écoulement vertical vapeur/gouttes à l’échelle d’un sous-canal

• Ethel Borel Djeumen Nkwechen (2018-2021) : Étude du comportement au fluage des gaines en alliage de zirconium pré-oxydées sous sollicitations thermomécaniques représentatives d'un accident de perte de réfrigérant primaire

• Thomas Jailin (2016-2019) : Étude expérimentale et modélisation du comportement d’un tube de gainage lors d’un accident de réactivité en phase post-crise d’ébullition

• Juan David Pena Carrillo (2015-2018) : Étude expérimentale du transfert paroi/fluide dans le cas d’un écoulement vertical vapeur/gouttes dans une géométrie tubulaire

Publications

2022

• J.E. Luna Valencia, A.V.S. Oliveira, T. Glantz, A. Labergue, S. Leclerc, M. Gradeck, Simulation of flow redistribution in 7 × 7 ballooned fuel bundle experiments using DRACCAR code, Nuclear Engineering and Design 396 (2022) 111888 https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2022.111888

• Jean Desquines, Tatiana Taurines, Séverine Guilbert, Christian Duriez, Antoine Ambard, Revisiting weight-gain correlations for as-fabricated Zircaloy-4 cladding tubes during steam oxidation, Journal of Nuclear Materials 569 (2022) 153908 https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153908

• Ethel Djeumen, Gergely Molnár, Nicolas Tardif, Michel Coret, Jean Desquines, Tatiana Taurines, Marie-Christine Baietto, Modeling diffusive phase transformation and fracture in viscoplastic materials, International Journal of Solids and Structures 252 (2022) 111757 https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2022.111757

• T. Jailin, N. Tardif, P. Chaudet, J. Desquines, M. Coret, M.-C. Baietto, V. Georgenthum, Measuring both thermal and kinematic full-fields using a single CMOS camera during high temperature tests, Optics and Lasers in Engineering 158 (2022) 107107 https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2022.107107

• V. Martinez-Quiroga, M. Szogradi, S. Schollenberger, M. Sanchez-Perea, N. Sandberg, J. Zhongyun, P. Freydier, M. Suslov, H. Austregesilo, T. Glantz, J.H. Lee, Z. Li, I. Shvetsov, R. Mukin, J. Holmstrom, J.F. Villanueva, E. Virtanen, J. Freixa, OECD/NEA PKL-4 benchmark activity. Code assessment of the relevant phenomena associated to a blind IBLOCA experiment, Nuclear Engineering and Design, 389 (2022) 111632 https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111632 

• T. Jailin, N. Tardif, J. Desquines, P. Chaudet, M. Coret, M.-C. Baietto, V. Georgenthum, FEMU based identification of the creep behavior of Zircaloy-4 claddings under simulated RIA thermo-mechanical conditions, Journal of Nuclear Materials 561 (2022) 153542 https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153542

2021

• F. Jacq, T. Taurines, Zy-4 LOCA cladding burst criteria computed by neural networks, Nuclear Engineering and Design 385 (2021) 111538 https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2021.111538

• J.E. Luna Valencia, A. V. S. Oliveira, A. Labergue, T. Glantz, M. Gradeck, Droplets interaction effects on the heat removed by droplets impact onto heated wall in a polydispersed flow film boiling, Proceedings of ICLASS Edinburgh Vol 1 No1 (2021) 5934 https://doi.org/10.2218/iclass.2021.5934

• A.V.S. Oliveira, D. Stemmelen, S. Leclerc, T. Glantz, A. Labergue, G. Repetto, M. Gradeck, Parametric effects on the flow redistribution in ballooned bundles evaluated by magnetic resonance velocimetry, Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 125 (2021) https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2021.110383

2020

• A.V.S. Oliveira, J.D. Peña Carrillo, A. Labergue, T. Glantz, M. Gradeck, Mechanistic modeling of the thermal-hydraulics in polydispersed flow film boiling in LOCA conditions, Nuclear Engineering and Design 357 (2020) https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110388

• A.V.S. Oliveira, J.D. Peña Carrillo, A. Labergue, T. Glantz, M. Gradeck, Experimental study of dispersed flow film boiling at sub-channel scale in LOCA conditions: Influence of the steam flow rate and residual power, Applied Thermal Engineering 172 (2020) https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115143

• A.V.S. Oliveira, D. Stemmelen, S. Leclerc, T. Glantz, A. Labergue, G. Repetto, M. Gradeck, Velocity field and flow redistribution in a ballooned 7×7 fuel bundle measured by magnetic resonance velocimetry, Nuclear Engineering and Design 369 (2020) https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2020.110828

• Mehdi Belqat (2021-2022) Développement d’un processus de fabrication d’un simulant de combustible irradié pour l’étude de la fragmentation fine en APRP

• Arthur Vieira da Silva Oliveira (2018-2020) Caractérisation expérimentale et simulation numérique des écoulements dans un assemblage combustible déformé

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