Développement d'un modèle multi-physique d'un four de frittage H/F

Updated: 3 months ago
Location: La Cote Saint Andre, RHONE ALPES

Le Département d'Etudes des Combustibles réalise la R&D sur le combustible des réacteurs nucléaires regroupant des compétences uniques :- en conception/réalisation d'essais caractérisant le comportement du combustible en conditions normales ou accidentelles par des essais en laboratoires chauds LECA/STAR ou plus intégrés dans des réacteurs de recherche (RR) ;- en simulation avec des modèles multiéchelles, multiphysiques et multifilières (plateforme PLEIADES).Le point fort du département est d'associer étroitement la simulation numérique aux expériences, à toutes les échelles.
Les outils de calcul nécessaires à l'étude du comportement des combustibles sous irradiation sont développés au sein du Service d'Etudes et de Simulation du comportement des Combustibles (SESC).

Ce travail fait suite à un stage post-doctoral réalisé au Laboratoire de Fabrication des Combustibles (2016-2017) qui a consisté à calculer le champ de température, de vitesse du fluide (gaz vecteur) dans un four vide, ainsi que le champ de pression partielle en O2 à l'aide du logiciel COMSOL™ et de ses modules de thermique, hydraulique et chimie.
Les nouveaux développements permettront de simuler les échanges d'oxygène entre la phase solide constituée d'un ensemble de pastilles dans une nacelle et la phase gaz.


L’objectif du CEA et de ses partenaires industriels est de disposer, à terme, d’une plateforme logicielle, PLEIADES, modélisant le combustible de sa fabrication à son comportement en réacteur.

On s’intéresse à la modélisation d’une étape de fabrication du combustible (U,Pu)O2, celle de frittage, en vue de mieux la comprendre et de la maîtriser dans une future usine de fabrication du combustible pour les réacteurs à neutrons rapides.

Le frittage est le procédé de traitement thermique utilisé pour consolider, densifier le combustible nucléaire et former la solution solide U1-yPuyO2-x. Le matériau est chauffé en dessous de son point de fusion pour lier ses grains et diminuer sa porosité. D’un point de vue thermodynamique, ce procédé minimise l’énergie libre de l’empilement de grains en diminuant l’aire de sa surface, ainsi que sa courbure. Les échanges avec l’atmosphère, la mobilité des espèces, activée par la température, et le champ de contraintes mécaniques sont à l’origine du mécanisme de transformation de la microstructure de la pastille.

Le cycle de frittage comporte généralement une montée en température avec une rampe linéaire, un plateau à température constante et un refroidissement contrôlé, avec, éventuellement une adaptation continue du potentiel d’oxygène à travers le tampon d’oxydo-réduction imposé par le rapport H2/H2O du gaz vecteur afin d’obtenir l’écart à la stœchiométrie visé.

La microstructure dépend fortement de la vitesse de changement de la température ainsi que du potentiel d’oxygène lors du refroidissement. L’enjeu est de maîtriser l’opération de frittage, indépendamment du nombre de pastilles, maîtrise qui repose en grande partie sur le contrôle fin du potentiel d’oxygène en fonction du temps et de la température ainsi que de la compréhension de l’influence de la teneur en Pu.

A plus long terme on cherchera à rendre compte de la fermeture de la porosité et à l’élimination de la porosité fermée qui influent sur les échanges avec la phase gaz. On vise ainsi à développer une modélisation prédictive, de l’échelle de la pastille à celle d’un four, à travers un couplage multi-physique, en calant les simulations sur un jeu de données expérimentales.


Doctorat en Sciences de l'Ingénieur, Sciences des Matériaux ou Mécanique des Fluides


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