Laboratoire de modélisation et d’analyse de la performance des structures (LMAPS)

​

Le Laboratoire de modélisation et d’analyse de la performance des structures (LMAPS) est situé sur le site de Fontenay-aux-Roses (Hauts-de-Seine). Il est rattaché au Service d’expertise des équipements et des structures (SES) au sein de la Direction de l’expertise de sûreté du Pôle Sûreté Nucléaire (PSN-EXP). Son objectif est de mieux comprendre et de quantifier la performance des structures ou d’équipements des installations nucléaires, que ces installations soient en phase de conception ou existantes.
 

Contexte et thématiques de recherche

L’analyse de sûreté intègre continuellement le retour d’expérience et se fonde sur le meilleur état des connaissances. Elle peut conduire à identifier des études à mener et des recherches à réaliser pour mieux assoir certaines analyses ou compléter la base de connaissances sur laquelle elles s’appuient et ainsi contribuer à améliorer la sûreté des installations. Cette identification passe par la définition claire des améliorations de sûreté à apporter, des verrous scientifiques à lever pour ce faire et des échéances associées.

Tout au long de sa durée de vie, une structure subit l’effet de l’environnement dans lequel elle est placée. Selon la nature de l’environnement considéré, un ouvrage vivra différents types d’événements qui induiront un certain nombre d’effets sur lui. Ces événements peuvent être classés selon une constante de temps caractéristique, qui leur est propre.

Dans le cas des constantes de temps élevées (plusieurs dizaines d’années), on peut citer les pathologies qui se caractérisent par un ensemble de processus physico-chimiques et qui vont avoir pour effet de modifier les propriétés structurales (résistance et ductilité) de l’ouvrage. Dans le cas des constantes de temps faibles (quelques secondes ou moins), on peut citer les séismes, les explosions ou encore les impacts de projectiles. Ces actions sont susceptibles d’induire une dégradation importante de la structure jusqu’à altérer son intégrité. 

Évaluer la performance d’un ouvrage à un instant donné ou encore son évolution au cours du temps passe par la détermination d’un ensemble d’indicateurs. Ces indicateurs sont le résultat de simulations ou d’essais, généralement menés sur des prélèvements ou sur des maquettes représentatives et sont donc, par nature, entachés d’incertitudes. Ces incertitudes peuvent être liées d’une part à l’écart entre une prédiction et une observation – on parle d’incertitudes aléatoires – et d’autre part, à un manque de connaissances – on parle d’incertitudes épistémiques. La prise en compte de ces incertitudes dans l’évaluation de la performance d’un ouvrage doit être appréhendée afin d’être en mesure de fournir une évaluation de la performance qui intègre l’ensemble des connaissances disponibles.

Figure 1. Démarche thématique du LMAPS © IRSN

Lorsque l’évaluation de sûreté repose sur la modélisation, ce qui est par exemple le cas dans le domaine des accidents graves, l’un des enjeux majeurs est l’estimation et la maîtrise des incertitudes associées à la prévision de la performance par simulations numériques. Dans ce contexte, la vérification et la validation des modèles de calcul, ainsi que les estimateurs d’erreur, revêtent une importance toute particulière.

Pour quantifier et vérifier la performance en fonction du temps d’ouvrages, dont il convient d’assurer un niveau de sûreté optimal, le LMAPS porte des thématiques variées et complémentaires sur lesquelles des travaux expérimentaux ou des développements numériques sont en cours. À titre d’exemple, on peut citer les thèmes suivants :

Mieux comprendre le vieillissement des structures

• Pathologies du béton
• Pathologies du béton armé

Collaboration avec les unités : Service des déchets radioactifs et des transferts dans la géosphère (SEDRE), Service d'Etude et de Recherche EXpérimentale (SEREX), Service de l'Ingénierie et des Projets de Recherche (SIPR) et Service de Maîtrise des Incidents et Accidents (SEMIA).

Mieux comprendre le comportement des structures sous chargement complexe

• Mécanique de l’endommagement, approches à discontinuités cinématiques
• Approches multi-physiques, multi-échelles (mésoscopique, macroscopique)
• Interaction sol/structure sous séisme (vidéos d'animations)

Collaboration avec les unités : Service de caractérisation des sites et des aléas naturels (SCAN), Service de la conduite des réacteurs et des EPS (SCEPS), et Service de Maîtrise des Incidents et Accidents (SEMIA)

Maîtrise des incertitudes

• Courbes/surfaces de fragilité
• Méthodes de propagations d’incertitudes
• Études probabilistes de sûreté

Collaboration avec Service de la conduite des réacteurs et des EPS (SCEPS), et Service de Maîtrise des Incidents et Accidents (SEMIA).

Axes de recherche

Afin d’améliorer les approches d’évaluation de la performance d’ouvrages complexes, le LMAPS est associé et contribue à des recherches selon plusieurs axes qui portent sur l’ensemble des étapes de la chaîne d’analyse de la performance, décrite sur la figure 1 :

1. Interaction ouvrage/environnement à grande constante de temps : maîtriser le vieillissement des ouvrages

• Pathologies du béton : identification, compréhension des mécanismes et des conséquences mécaniques du développement des réactions de gonflement interne dans les matériaux cimentaires, telles que la réaction alkali-granulat (RAG) et la réaction sulfatique interne (RSI).
   Projet ODOBA (IRSN), projet CONCRET, projet H2020/ACES

• Pathologie du béton armé : identification, compréhension des mécanismes et identification des conséquences mécaniques en lien avec le phénomène de corrosion des armatures présentes dans le béton armé, qui se manifeste sous l’action d’agents agressifs, tels que les chlorures ou le dioxyde de carbone.
  Projet VERCORS (EDF), projet CONCRETE

• Séisme : contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles, éventuellement non linéaires, pour prédire de manière satisfaisante le comportement d’éléments de structures ou de structures en béton armé sujets à un séisme.
  Projet MACUMBA (IRSN), Actions collaboratives IRSN-CEA

• Impact : contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles non linéaires pour prédire de manière satisfaisante l’évolution locale des propriétés mécaniques d’éléments de structures en béton armé suite à un impact.
   

• Incendie/explosion/accident grave : appréhension du comportement d’éléments de structures sollicités par un incendie, une explosion ou en situation d’accident grave et identification de la possibilité de perte de confinement, notamment en ce qui concerne la troisième barrière.
  Projet MACUMBA (IRSN)

• Pathologie/aléa naturel : contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles non linéaires multi-physiques visant à mieux appréhender le comportement d’éléments de structures ou de structures sujets à des sollicitations, dont les constantes temps, de natures différentes.
  Actions collaboratives IRSN-CEA-EDF-FRAMATOME, projet H2020/METIS, projet ANR/ACCROSS

• Fragilité sismique : contribution à la détermination du risque de défaillance en cas de séisme, prise en compte de la corrélation entre plusieurs mesures d’intensité sismique à travers la construction de surfaces de fragilité.

Projet H2020/METIS

Les axes de recherche sur lesquels est impliqué le LMAPS sont clairement complémentaires. On peut distinguer deux axes élémentaires (Axes 1 et 2), un axe intégrateur (Axe 3) et enfin, un axe à finalité applicative (Axe 4).

Figure 2. Axes de recherche impliquant le LMAPS © IRSN

Etudes support

Le LMAPS a vocation à apporter des éléments de réponse aux besoins issus de l’analyse de sûreté, notamment dans les domaines du génie civil et des études probabilistes de sûreté (EPS) de niveaux 1 et 2. Pour cela, le LMAPS réalise des études supports ciblées et dont les durées sont généralement de quelques mois. Pour pouvoir réaliser ces études, le LMAPS dispose de modèles de bâtiments de sites nucléaires français, de modèles de certains équipements sensibles et s’assure qu’ils prennent en compte les connaissances disponibles. Ces modèles fournissent au LMAPS les outils indispensables à la réalisation d’études ou contre études en support aux analyses de sûreté. Les thèmes de ces études supports peuvent être variés puisqu’ils dépendent des besoins identifiés. À titre d’exemple, le LMAPS s’intéresse aux sujets suivants :

• Interaction corium/béton ;
• Comportement des enceintes de confinement (simple et double paroi) ;
• Comportement du bâtiment réacteur en conditions d’accidents graves ;
• Comportement du tampon d’accès matériels (TAM) ;
• Comportement des peaux composites ;
• Etc.

Equipe de recherche

Equipements et techniques
 

Le LMAPS s'appuie sur des ressources, des compétences et des équipements du Pôle Sûreté Nucléaire (PSN) sur les sites de Fontenay-aux-Roses, Cadarache et de Saclay.

Pour les activités nécessitant des ressources informatiques :

• Cluster de calcul mutualisé du Pôle Sûreté nucléaire

Certaines recherches d'intérêt pour le LMAPS menées en externe IRSN utilisent les moyens d'essais suivants :

• • La plateforme d'essais sismiques Tamaris du CEA
  • Les moyens d’essais accélérés disponibles à l’UGE
  • Les moyens d'essais et de mesures disponibles au LMT Cachan
  • Les moyens d'essais disponibles au CSTB
     

Partenariats et réseaux de recherche

• l’ENS Paris Saclay, Cachan
• l’ENS Ulm, Paris
• le Laboratoire Matériaux et durabilité des constructions (LMDC), Toulouse
• le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Saclay
• l’Université Gustave Eiffel (UGE), Marne la Vallée 
• Le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), Marne-la-Vallée  
• le Laboratoire de mécanique et acoustique (LMA), Marseille   
• l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, Pau
• l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Lyon
• l’Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées (ENSTA), Palaiseau
• l'École Centrale de Nantes (ECN), Nantes
• Électricité de France (EDF), Framatome

Les partenaires internationaux du LMAPS sont : 

• l'Université de Sherbrooke, Canada
• la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CNSC)
• la Commission de réglementation nucléaire (NRC)

• OCDE/AEN
• AFPS
• RF2B