Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'etude du combustible (LEC)

Date de début de thèse : 01/10/2009

Nom du doctorant : Shuang Wen

Contexte et problématique

Un des objectifs principaux du laboratoire MIST est de proposer une modélisation numérique multiéchelle des gaines de combustible sous chargement thermomécanique rapide afin de simuler certaines situations accidentelles. Durant leur vie en réacteur, ces gaines subissent d'importantes modifications de leur microstructure et passent progressivement d'un matériau monophasé métallique (le Zircaloy) à un matériau à gradient de propriétés.
L'approche retenue pour modéliser ce type de matériaux est une approche multiéchelle : le matériau à gradient de propriétés est considéré en chaque point comme un biphasé à matrice métallique associé à une évolution spatiale de la fraction volumique de ce dernier. L'enjeu est alors de pouvoir relier, en particulier par la simulation numérique, les caractéristiques du matériau et leur évolution au comportement de l'éprouvette ou de la structure étudiée. En particulier, il est primordial de savoir correctement reproduire les mécanismes d'endommagement et/ou de fissuration pour espérer traduire fidèlement les modes de ruine de la structure.
Les approches numériques par zones cohésives sont particulièrement commodes pour rendre compte de certains mécanismes d'endommagement et de fissuration dans les matériaux. Une stratégie de modélisation numérique consiste en une décomposition du milieu continu en un système multicorps, chaque corps interagissant avec ses voisins via une loi de cohésion (approche parfois appelée "cohesive /volumetric finite element method" en anglais). Le comportement du matériau est alors décrit par un comportement volumique de chacun des corps auquel vient se superposer un comportement surfacique de la zone cohésive; cette double description permet une modélisation des phénomènes d'endommagement aussi bien que de fissuration. Ce découpage des comportements en parties'" volumique" et « surfacique " est licite dans le cas de l'analyse de la fissuration des bimatériaux, i.e. lorsqu'il existe de manière sous-jacente à la zone cohésive un "troisième corps" ou une "interphase". Cependant, dans le cas de la fissuration d'un matériau volumique unique, la pertinence de ce découpage est moins évidente.
Un stage post-doctoral a permis d'étudier le bien fondé d'une telle décomposition dans le cadre des phénomènes d'endommagement et de fissuration, puis a abouti à la mise en place d'un protocole expérimental d'identification des lois de cohésion en vue de leur intégration dans les codes de calcul (V. RICHEFEU, financement IRSN·MIST, 2006-2008).
L'approche expérimentale est fondée sur des mesures originales de champs thermomécaniques et a consisté à étendre au cas de la fissuration les techniques d'imagerie précédemment mises en oeuvre pour la caractérisation du comportement thermomécanique des matériaux. Ce premier travail a concerné des matériaux variés (ductiles, fragiles) en utilisant uniquement des mesures cinématiques basées sur l'intercorrélation d'images de granularité.

Déroulement de l'étude 

Le travail envisagé consiste dans un premier temps à stabiliser et à valoriser la protocole expérimental mis en oeuvre lors des deux dernières années, puis à envisager une étude similaire en utilisant et en couplant tes mesures par caméra infrarouge aux mesures cinématiques. Ce dernier aspect permettra de proposer des lois de zones cohésives pertinentes à la fois sur les plans mécanique et énergétique. Ce travail de thèse aura en particulier les trois objectifs principaux suivants relevant tous de la mesure expérimentale locale des modèles de zone cohésive:

• définir une mesure de (a longueur caractéristique associée aux modèles de zone cohésive . ces derniers mettant en oeuvre d'une part une énergie de rupture et une contrainte critique et d'indiquer comment cette longueur intervient dans une modélisation numérique de type "cohesive/volumetric finite element"
• adapter le protocole expérimental déjà en place, au cas des chargement locaux complexes (différentes triaxialités du champs de contraintes pour les matériaux ductile, propagation de fissure en mode l, ll ou mixte pour les matériaux fragiles)
• proposer des mesures sur une gamme des matériaux suffisamment large pour s'orienter vers les matériaux composites à matrice métallique et vers les céramiques poreuses, matériaux typiques des constituants de crayons combustibles nucléaires.

Des interactions sont donc indispensables avec les personnes du laboratoire MIST plus impliquées sur l'aspect modélisation d'une part et simulation numérique d'autre part, et un retour des résultats expérimentaux est attendu pour affiner les modèles de zones cohésives qui seront implantés par la suite dans les codes de calcul.
Enfin, une caméra rapide a été acquise début 2009 par le laboratoire MIST, et le candidat à cette thèse devra participer activement aux essais effectués avec ce nouveau dispositif, notamment concernant des essais complémentaires sur les matériaux ductiles déjà étudiés, mais aussi des essais plus exploratoires sur des matériaux réputés fragiles (béton, céramique, roches, matériaux simulant hydrurés, ...).