Laboratoire d'accueil : Laboratoire d'étude du combustible (Lec)

Date de début de thèse : 01/10/2009

Nom du doctorant : Mehdi Colbert

Descriptif de la thèse

La modélisation que nous nous proposons de développer dans le cadre de ce doctorat devrait permettre non seulement d'apporter une meilleure compréhension des phénomènes physiques faisant intervenir les gaz de fission, mais en outre d'alimenter quantitativement et directement les modèles de micromécaniques développés au sein du laboratoire.
Cette étude apportera un complément très important au travail de recherche mené actuellement avec Andrei Jetea dans le cadre d'un CTE. Les collaborations antérieures entre la DPAM et le CINAM ont permis de choisir et valider l'utilisation de potentiels d'interaction U/O, et d'étudier les phénomènes de réarrangement, reconstruction de surface et stabilité de porosité vide introduites dans une matrice d'UOZ, en fonction de la taille de ces porosités. Des études sont actuellement en cours sur le remplissage de ces porosités par des atomes de Xe à l'aide de simulation Grand Canonicat Monte Carlo. Cette thèse pourra donc prendre appui sur ces premiers résultats obtenus et permettra d'étendre l'étude réalisée au cas du Kr, afin de déterminer l'influence de la polarisabilité du gaz rare sur son comportement microscopique et son état physique confiné.
En outre, elle devrait permettre de prolonger l'étude du comportement des gaz rares dans les cavités d'une matrice cristalline parfaite au cas de matrice présentant des défauts locaux (lacune) ou étendus (dislocation).

Principales étapes de réalisation

Dans un premier temps, une analyse bibliographique permettra de recenser les principales observations expérimentales concernant la caractérisation des porosités du combustible nucléaire U02 en situation de fonctionnement normal et incidentel.
Dans un deuxième temps, nous procéderons au remplissage de porosités dans l'UO2 par des atomes de Kr, à l'aide de simulation Grand Canonical Monte Carlo.
Dans un troisième temps, l'impact d'une variation de température sera modélisé par dynamique moléculaire et/ou minimisation d'enthalpie libre, et la pression sera évaluée à l'intérieur des porosités ainsi que dans la matrice. Le choix du potentiel d'interaction entre les atomes de gaz rare devra être validé par comparaison des résultats obtenus en milieu confinés (dans les pores) ou non (bulk de gaz rare).
Dans un quatrième temps, les effets de la présence de défauts tels que les dislocations sur la fracturation par le fluide, ainsi que les phénomènes de diffusion des atomes de gaz interstitiels vers les cavités pourront être étudiés par dynamique moléculaire.
Enfin, les résultats de ce travail, notamment ceux concernant l'évaluation des pressions dans les pores, seront pris en compte dans SCANAIR, afin d'améliorer le module gaz de fission de ce code de modélisation macroscopique du comportement du combustible. Ce travail devrait en outre permettre d'améliorer significativement la compréhension et donc la modélisation des phénomènes gonflement intragranulaire, de développement des contraintes internes auxpastilles, et de fournir des conditions aux limites réalistes pour l'étude du comportement mécanique de ces pastilles (fracturation, dispersion lors d'un RIA ou d'un APRP).