Caractérisation de la dissipation d’énergie mécanique dans les crayons de combustible nucléaire : une investigation expérimentale et numérique de l’interaction pastille-gaine sous évolution du jeu 

Résumé : 

Les crayons combustibles présents dans le cœur des réacteurs à eau pressurisée (REP) contiennent des pastilles de dioxyde d’uranium initialement séparées de la gaine en zircaloy par un jeu donné. L’expansion des pastilles due aux effets thermomécaniques conduit au phénomène d’interaction pastille-gaine (IPG), qui peut déformer la gaine et compromettre son intégrité structurelle. En raison des conditions extrêmes régnant dans le cœur et de l’espace limité pour l’instrumentation, la détection du début des interactions constitue un défi industriel majeur. Dans cette thèse, nous proposons un nouveau cadre pour étudier l’amorçage de l’IPG basé sur la dynamique non linéaire des contacts mécaniques. L’hypothèse centrale de ce travail pose que l’évolution des jeux entre les pastilles et les parois internes de la gaine modifie la signature dynamique du système, la dissipation de l’énergie mécanique, sous les vibrations auxquelles les crayons combustibles réels sont soumis, servant d’indicateur pour une identification précoce du contact. Dans ce contexte, une approche combinée a été mise en œuvre, impliquant le développement de modèles numériques vibro-impact et d’un dispositif expérimental dédié à la validation. La méthodologie a évolué de modèles simplifiés à deux degrés de liberté (2DDL), intégrant le frottement de Coulomb et la mécanique du contact via le coefficient de restitution et les méthodologies hertziennes, vers un modèle structurel global de la gaine utilisant la méthode des éléments finis (MEF) pour représenter un système à impacts multi-corps (40 pastilles). Les résultats des essais expérimentaux sur un prototype fabriqué par fabrication additive ont révélé une augmentation de 37 % du taux d’amortissement entre les configurations à jeu fermé et à jeu ouvert. Les résultats numériques étaient cohérents avec les tendances expérimentales, validant le modèle développé en termes de comportement dynamique et de tendances de dissipation à mesure que les jeux évoluent. Enfin, une extrapolation avec le modèle MEF final a montré des différences atteignant 80,88 % de l’énergie mécanique totale dissipée entre les jeux fermés et ouverts simulés. Ces résultats soutiennent l’hypothèse selon laquelle la dissipation de l’énergie mécanique constitue une signature dynamique permettant la détection de l’amorçage de l’IPG. En faisant le pont entre des expériences et des simulations vibro-impact extrapolées aux paramètres nucléaires, ce travail établit une base prometteuse pour de futures stratégies de détection de l’IPG, contribuant à une sécurité opérationnelle et une fiabilité structurelle accrues dans les systèmes nucléaires.

Jury

Frédéric LEBON - Professeur - Aix Marseille Université / LMA - Directeur de thèse

Guillaume RICCIARDI - Directeur de Recherche - CEA - Cadarache - Co-directeur de thèse

Stéphane BOURGEOIS - Maître de conférences - Centrale Méditerranée - Co-encadrant de thèse

David DUREISSEIX - Professeur - INSA Lyon - Rapporteur

Delphine BRANCHERIE - Professeur - Université de Technologie de Compiègne - Rapporteure

Lucie ROULEAU - Maître de conférences - Conservatoire National des Arts et Métiers - Examinatrice

Éric JACQUELIN - Professeur - Université Claude Bernard - Président

La soutenance de thèse de Matheus Versao est prévue le 26 octobre à 13h30 - amphithéâtre du LMA