Modélisation micromécanique de l’endommagement d’un matériau viscoplastique poreux par une approche cohésive-volumique : application à l’UO2 irradié
25/11/2019
Nom du doctorant : Clément Tosi
Lieu de thèse : Laboratoire de physique et de thermomécanique des matériaux (LPTM) - Cadarache (13)
Date de début : octobre 2020
Ce sujet s’inscrit dans le cadre des recherches menées à l’IRSN concernant le comportement du combustible nucléaire UO2 lors de transitoires accidentels de puissance dans les réacteurs à eau sous pression. L’objectif appliqué est d’améliorer les prédictions du code SCANAIR développé à l’IRSN et destiné à la simulation numérique simplifiée des crayons de combustible nucléaire en situation d’accident d’insertion de réactivité (RIA). Les améliorations visées ici concernent le comportement thermomécanique de l’UO2 sous chargements complexes. Les principaux défis scientifiques de cette thèse concernent la modélisation et la simulation numérique de l’endommagement des milieux hétérogènes et de leur multi-fragmentation sous chargement dynamique en transitoire thermique rapide.
Cette thèse s’intéresse au comportement en RIA d’un fragment de pastille de combustible UO2 irradié. En RIA, du fait des évolutions de température, le matériau peut passer localement successivement par des états où son comportement est fragile, puis ductile (champ de température très hétérogène et très variable dans le temps en situation de RIA). Une modélisation particulière de ce matériau doit donc être envisagée, vis-à-vis de son comportement mécanique, selon la température. Pour la simulation de l’endommagement ductile, une approche originale par modèle de zones cohésives est proposée dans le cadre de la thèse de N. B. Nkoumbou Kaptchouang (thèse IRSN et LMGC dans le cadre du MIST, laboratoire commun entre l’IRSN, le CNRS et l’Université de Montpellier). Cette approche consiste à synthétiser, sous la forme d’un modèle cohésif, un modèle d’endommagement ductile volumique de type « GTN » (modèle poro-mécanique de type Gurson). Le nouveau modèle micromécanique ZC/GTN mis au point a été implémenté dans le code de calcul XPER, dédié à la fragmentation dynamique des milieux hétérogènes sous chargements thermodynamiques. Il couple la méthode des éléments finis aux modèles de zones cohésives dans une approche multi-corps.
La problématique scientifique principale du présent sujet de thèse consiste à étendre ce nouveau modèle ZC/GTN aux situations de sur-fragmentation et de dynamique rapide du combustible, avec en particulier :
- La prise en compte d’un effet « vitesse de sollicitation locale » : le modèle actuel ZC/GTN est un modèle purement plastique. Il conviendrait de l’étendre à un comportement viscoplastique afin de modéliser l’effet de la vitesse de chargement sur le comportement du matériau.
- La prise en compte d’un comportement différent en traction et en compression. Ces deux améliorations envisagées permettraient d’obtenir un nouveau modèle cohésif plus complet et plus adapté aux céramiques poreuses telles que l’UO2. L’application visée concerne la simulation du gonflement-fissuration d’un fragment de combustible UO2 irradié en RIA.
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Laboratoire IRSN impliqué
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