Aktis n°19 jan/fév/mar 2015
Aktis n°19 jan/fév/mar 2015
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°19 de jan/fév/mar 2015

  • Périodicité : trimestriel

  • Editeur : Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire

  • Format : (150 x 210) mm

  • Nombre de pages : 12

  • Taille du fichier PDF : 1,3 Mo

  • Dans ce numéro : modélisations avancées du comportement du combustible lors d'accidents de réactivité.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Laboratoire de mécanique et de génie civil (LMGC), Laboratoire de Micromécanique et intégrité des structures, laboratoire commun IRSN/LMGC/Univ. Montp. II (MIST), Laboratoire de mécanique et d’acoustique (LMA) Centre interdisciplinaire de nanoscience de Marseille (CINaM) 6 CONTACT Marc Petit marc.petit@irsn.fr Service de maîtrise des incidents et accidents (SEMIA) de l’IRSN. (1) Lors de l’utilisation du logiciel SCANAIR dans le cadre d’évaluations de sûreté, des marges sont adoptées pour tenir compte des hypothèses de départ et des approximations. En savoir plus sur le logiciel SCANAIR Aktis n°19 – janvier-mars 2015 Combustible - Modélisation MODÉLISATIONS avancées appdu comportement du COMBUSTIBLE lors brs D’ACCIDENTS DE RÉACTIVITÉ La maîtrise des risques engendrés par les accidents d’injection de réactivité (RIA) impose le respect de propriétés spécifiques de résistance aux combustibles utilisés dans les réacteurs nucléaires. En effet, ces accidents se traduisent par une augmentation rapide de la puissance générée par les réactions de fission qui, dans des conditions extrêmes, peut conduire la gaine du combustible à se rompre. Or celle-ci est la première barrière qui confine les éléments radioactifs à l’intérieur du réacteur. Une des missions de l’IRSN est d’évaluer si les combustibles nucléaires répondent aux exigences de sûreté visà-vis de ces accidents. Pour estimer les risques de rupture, l’Institut a développé un logiciel qui modélise le comportement du combustible. Les modèles actuels sont construits avec des hypothèses et des approximations (1) que l’avancée des connaissances permet d’affiner progressivement. L’IRSN a ainsi engagé, depuis plusieurs années, des travaux de modélisation multi-échelle de ces matériaux très hétérogènes. Ces travaux contribuent à réduire les incertitudes des modèles de comportement du combustible. L’accident d’injection de réactivité ou RIA (Reactivity Initiated Accident), qui est pris en compte dans la conception des réacteurs (2), se traduit par une brutale génération d’énergie au sein du combustible. Elle y entraîne des transformations. D’une part, il gonfle, en raison des effets de dilatation, et en raison de l’expansion des gaz produits en fonctionnement normal par les fissions nucléaires (essentiellement Krypton et Xénon) qui restent emprisonnés dans sa matrice. Ce gonflement induit une pression mécanique sur la gaine. D’autre part, une partie des gaz de fission est relâchée par le combustible et se répartit dans les interstices existant entre les pastilles de combustible et la gaine, contribuant à l’augmentation de la pression exercée sur cette dernière. Image du combustible irradié où sont visibles les petites bulles sphériques dans les grains du matériau et les bulles aplaties entre les grains. IRSN Expériences globales Lors de l’étude du RIA, il est primordial d’évaluer quelles conditions entraîneraient la rupture de la gaine. Pour les connaître, l’IRSN réalise des programmes expérimentaux et développe le logiciel SCANAIR dont l’objectif est de prévoir le comportement thermomécanique des crayons de combustible en RIA. Les modèles utilisés dans le logiciel représentent les comportements thermiques et mécaniques des matériaux constituant le combustible. Ils prennent également en compte la présence de gaz de fission. Ils ont été établis à partir d’approches théoriques, puis validés par des expériences globales simulant des accidents de RIA (notamment celles réalisées dans le réacteur CABRI). Cependant, aucun de ces modèles ne peut être validé indépendamment des autres, car il n’est techniquement pas possible de réaliser des expériences séparées individualisant chaque phénomène  : on ne peut donc garantir l’absence de biais dans le couplage des modèles, difficilement identifiable à partir d’une expérience globale. Phénomènes élémentaires FOCUS Pour réduire les incertitudes des modèles et identifier les améliorations à y apporter, l’IRSN a de ce fait mis en œuvre des méthodes de modélisation
Photographie au microscope optique d’une gaine de combustible qui s’est rompue au cours de l’essai REP-Na8 simulant un accident de réactivité, réalisé dans le réacteur CABRI. IRSN dite avancée. L’une d’elles est l’homogénéisation multi-échelle. L’idée est de modéliser chaque phénomène élémentaire à l’échelle où il se produit, pour en déduire la loi de comportement global du matériau à l’échelle supérieure, tenant compte du phénomène élémentaire. Cette démarche est bien adaptée à la modélisation du combustible irradié, matériau fortement hétérogène. Elle permet de tenir compte des détails de la structure des matériaux dans un modèle macroscopique, compatible avec le niveau de description de SCANAIR qui décrit le comportement moyen du combustible. Dans les modèles existants du logiciel, les incertitudes les plus importantes proviennent des modèles de gaz de fission dont le comportement n’est pas accessible à la mesure. La modélisation avancée a donc d’abord été développée à l’IRSN pour cela. Du micro au macro Le combustible nucléaire irradié contient des porosités, des gaz, des précipités de produits de fission. L’une des questions est de savoir quelle influence les bulles présentes dans le combustible ont sur son comportement mécanique global durant le RIA. Les chercheurs ont utilisé une méthode de modélisation multi-échelle. Ces bulles sont de deux types  : des bulles sphériques de quelques nanomètres contenues dans les grains GLO du matériau ; et des bulles en forme de lentille de quelques micromètres localisées entre les grains. Pour modéliser le comportement global du combustible en prenant correctement en compte l’effet de ces bulles, deux étapes d’homogénéisation successives sont réalisées. La première étape vise à obtenir le modèle de comportement homogène équivalent du grain contenant des bulles, à l’échelle intermédiaire (ou mésoscopique). Il faut représenter à l’échelle du micromètre le comportement d’une matrice (le grain) qui contient des bulles sphériques nanométriques. Le modèle a d’abord été réalisé avec des bulles vides de gaz, puis il a été modifié pour prendre en compte la pression interne des bulles. La seconde étape permet quant à elle de passer à l’échelle du matériau global (échelle macroscopique)  : on modélise le comportement d’une matrice possédant les propriétés équivalentes à celles déterminées à la première étape et qui contient des bulles lenticulaires à l’échelle du micromètre. La difficulté majeure à surmonter ici est la prise en compte de la forme particulière des bulles. Se pose ensuite la question de valider les modèles analytiques ainsi obtenus. La validation a été réalisée en calculant directement le comportement de volumes élémentaires du matériau en résolvant des équations de la mécanique des milieux continus (en utilisant ici des transformées de Fourier rapides). Dans ces volumes élémentaires, la porosité globale est imposée et tous les détails de la structure du matériau (bulles intra et intergranulaires) sont représentés. Ces calculs directs sont inutilisables à l’échelle du réacteur car trop complexes et coûteux en temps de calcul. La comparaison entre les contraintes mécaniques déterminées par les calculs directs et celles issues de l’approche par homogénéisation prenant en Cavités intragranulaires (2) L’accident d’injection de réactivité, plus simplement appelé accident de réactivité ou encore RIA (Reactivity Initiated Accident), qui est pris en compte dans la conception des réacteurs, résulte de la défaillance d’un mécanisme pilotant une grappe de commande, qui contribue à la régulation de la réaction nucléaire. Il se traduit par une rapide et violente génération d’énergie au sein du combustible. o 0 0 ôô0 0 0 0 pà 00 o o o 0 0 Échelle microscopique Échelle mésoscopique Échelle macroscopique Aktis n°19 – janvier-mars 2015 7 Les trois échelles de modélisation du combustible contenant des bulles de gaz. IRSN Cavités intergranulaires



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