Etude phénoménologique des conséquences thermomécaniques du contact entre crayons lors d'un accident de perte de refroidissement du circuit primaire (Ref Th RES 26-13)

L'industrie nucléaire dimensionne les dispositifs de secours des réacteurs à eau pressurisée pour se prémunir des conséquences de certains accidents : c'est le cas de l'Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP). De nombreux essais ont été réalisés permettant d'évaluer ses conséquences sur un crayon isolé. La déformation des crayons voisins diminue la section de passage de l'eau lors de la trempe. Par le passé les transitoires thermomécaniques APRP conduisaient à des évaluations de température élevées et donnaient, ainsi, un poids important au phénomène de fragilisation par l'oxygène résultant de l'oxydation des gaines de combustible par la vapeur d'eau. Les transitoires, pris en compte à présent, conduisent à des températures maximales plus modérées, ainsi l'étude de la déformation des crayons en grappe devient prioritaire par rapport à l'étude de la fragilisation par l'oxygène et l'hydrogène.

Au sein d'un assemblage, lors d'un APRP, les crayons se déforment par fluage, induisant des interactions thermomécaniques entre crayons encore imparfaitement connues.
Cette thèse vise, ainsi, à traiter les transferts thermiques et les contacts entre les différents crayons d'un assemblage de combustible. A dominante expérimentale, l'étude à conduire nécessitera cependant la mise en œuvre de simulations de physiques couplées avec pour objectif la modélisation du magnétisme couplé à la thermique et au fluage des matériaux de gainage.

La thèse s'appuiera sur deux dispositifs expérimentaux COCAGNE et ECSIT. Le premier permet de réaliser des essais sur un crayon central en atmosphère inerte avec des crayons voisins simulés par des gardes chauffées. Un chauffage résistif direct est imposé au crayon central. Un nombre restreint d'essais sera réalisé sur ce dispositif qui permet notamment de simuler une configuration de trois crayons alignés. Le dispositif ECSIT repose sur un chauffage par induction et permet de chauffer un ensemble de crayons pressurisés à travers un tube de quartz. Ce tube de quartz permet de canaliser, en fonction du besoin, une atmosphère représentative du réacteur en injectant de la vapeur d'eau ou un gaz. Ce second dispositif maintient un accès visuel à l'échantillon permettant de cartographier en continu certains paramètres comme la température, acquise au moyen de caméras infrarouges. La déformation en surface est accessible sur l'un des crayons au moyen de la CIN-3D. On pourra insérer des thermocouples ou s'appuyer sur des mesures par fibre optique de la température dans les zones peu accessibles visuellement. ECSIT permet, ainsi, la réalisation d'essais beaucoup plus instrumentés avec une représentativité thermomécanique accrue.
Lors de la thèse on étudiera dans un premier temps la configuration de trois crayons alignés. En effet, dans ce cas l'accessibilité visuelle importante du dispositif ECSIT permettra d'interpréter quelques essais de comparaison réalisés dans COCAGNE.

Dans cette configuration et sous argon stagnant, des essais ECSIT de cartographie thermique, non pressurisés, seront conduits et permettront d'acquérir la répartition des températures sur ces crayons. Il sera alors possible de comparer ces températures à des résultats de simulation couplées magnétisme-thermique. Suivront des essais thermomécaniques avec mise en pression des crayons pour générer des données incluant le fluage de la gaine et permettant des comparaisons à des résultats COCAGNE. La capacité à simuler le couplage magnétisme-thermique-mécanique serait particulièrement intéressante pour l'interprétation de ces essais. Cet ensemble d'essais contribuera à établir un socle de compréhension de la physique des phénomènes activés dans ECSIT et de la réponse thermomécanique des crayons testés en configuration alignée. Il sera alors possible de tester les effets de l'environnement comme le balayage par la vapeur d'eau des crayons alignés.

Si les délais de la thèse le permettent, des essais dans une configuration géométrique incluant sept crayons en interaction thermomécanique seront réalisés. Les résultats pourront être comparés à des simulations avec le code thermomécanique DRACCAR de l'ASNR, afin de valider certaines options de calcul ou de suggérer des améliorations possibles.

L'Autorité de sûreté nucléaire et de radioprotection est une autorité administrative indépendante créée par la loi du 21 mai 2024 relative à l'organisation de la gouvernance de la sûreté nucléaire et de la radioprotection pour répondre au défi de la relance de la filière nucléaire. Elle assure, au nom de l’État, le contrôle des activités nucléaires civiles en France et remplit des missions d'expertise, de recherche, de formation et d’information des publics.

Cette thèse à dominante expérimentale se déroulera au sein du Laboratoire d'expérimentation en mécanique et matériaux (LE2M) à Cadarache (Bouches du Rhône) où sont mènées des expérimentations dans les domaines de la mécanique, des matériaux et en thermohydraulique. Le LE2M est équipé de deux plateformes expérimentales dédiées à ces activités, MAESTRO et THEMAqui sont référencées dans le projet Européen OFFERR (eurOpean platForm For accEssing nucleaR R&d facilities). 

Étudiant en ingénierie spécialisé en science des matériaux, mécanique, métallurgie