Le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) est un acteur majeur de la recherche et de l’innovation dans le domaine des énergies bas carbone. En collaboration avec EDF et Framatome, il mène des recherches alliant simulation et expérimentation pour améliorer la sûreté des réacteurs français. Le CEA développe la plateforme de simulation PLEIADES, qui modélise le comportement des combustibles nucléaires selon une approche multiphysique et multiéchelle.
Cette thèse s’intéresse à l’étude du comportement des crayons combustibles lors d’un scénario hypothétique d’Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP) dans un réacteur à eau pressurisée. Ces crayons sont constitués de pastilles combustibles empilées dans une gaine en Zircaloy, qui constitue la première barrière de confinement des produits de fission radioactifs. Lors d’un APRP, la température de la gaine augmente, tandis que la pression interne du crayon dépasse celle du circuit primaire. Fragilisée par la chaleur et l’oxydation, la gaine peut alors gonfler (ballonnement), et rompre.
La dépressurisation brutale qui en résulte peut entraîner une sur-fragmentation du combustible, déjà fissuré au cours de son fonctionnement en réacteur. Les fragments risquent alors de se disperser dans le circuit primaire, modifier les conditions de refroidissement du cœur ce qui constitue un enjeu fondamental de sûreté. L’objectif de la thèse est donc de quantifier l’impact du ballonnement de la gaine sur la fragmentation et la relocalisation du combustible, afin de prédire sa dispersion en cas de rupture de la gaine et ainsi de renforcer les démonstrations de sûreté.
Le travail de thèse vise à développer une approche de simulation tridimensionnelle, du relâchement des produits de fission et de la fragmentation fine du combustible observés sous chargements thermomécaniques. Une attention particulière sera portée à l’influence du confinement exercé par la gaine sur les mécanismes de fragmentation.
Pour cela, la Méthode des Éléments Discrets (DEM) sera couplée à des modèles de zones cohésives (CZM) pour simuler la propagation des fissures dans un volume élémentaire composé de quelques grains, sous différentes conditions de chargement, de confinement et de géométrie.
Une approche multiéchelle permettra ensuite d’étendre les simulations à la pastille. Des volumes représentatifs des différentes zones de la pastille seront étudiés pour construire progressivement une description à l’échelle macroscopique, à l’aide d’automates cellulaires et/ou de calculs tridimensionnels complets. Les modèles seront évalués par confrontation à des données expérimentales représentatives.
Le doctorant sera accueilli au sein de l'institut IRESNE (CEA-Cadarache) dans le Laboratoire d’Expertises et de Validation des Applications combustibles multifilières (LEVA) du Département d’Etude des Combustibles. Ce travail de thèse sera mené conjointement 1/ au LEVA et 2/ au Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC, Université de Montpellier). Le doctorant ou la doctorante s'appuiera sur les acquis des travaux de thèse précédents ainsi que sur les outils de calcul haute performance ExaDEM et sur l’outil éprouvé LMGC90.
Le doctorant ou la doctorante développera des compétences à l’interface entre mécanique, science des matériaux et ingénierie nucléaire, dans un environnement de recherche associant expertise scientifique, collaboration académique et partenariats industriels. Les résultats pourront être valorisés par des publications scientifiques et des présentations lors de conférences internationales.

A. Nusslé « Modélisation de la fragmentation fine du combustible UO2 lors d’un Accident de Perte de réfrigérant Primaire », Thèse de doctorat, Université de Montpellier, 2026
V. Richefeu & al., Advanced strategies for discrete simulations with three-dimensional R-shapes in rockable framework. Computer Physics Communications, 320, 109997, 2026.