Les combustibles nucléaires à base de dioxyde d’uranium (UO2) sont des céramiques fabriquées par pressage de particules d’UO2 et frittage à haute température. La microstructure obtenue à l’issue de ces étapes de fabrication joue un rôle essentiel dans le comportement du combustible en réacteur. Sa maîtrise constitue donc un enjeu important pour optimiser les propriétés du matériau et garantir ses performances en fonctionnement.
Cette thèse vise à mieux comprendre le lien entre les propriétés des particules initiales et la microstructure du combustible dans le cas particulier où les particules sont des granulés, c’est-à-dire des amas de poudre pré-compactée. L’objectif à terme est d’améliorer le pilotage des caractéristiques microstructurales du combustible grâce au procédé de fabrication.
La thèse sera réalisée au Département d’Etudes des Combustibles (DEC) de l’Institut de Recherche pour les Systèmes Nucléaires pour la production d’Energie bas carbone (IRESNE), sur le centre CEA de Cadarache (Bouches-du-Rhône). La thèse sera portée par le Laboratoire des Combustibles Uranium (SA3E/LCU), en collaboration avec un laboratoire du Service d’Etudes et de Simulation du Comportement des combustibles (SESC/LDOP). Des collaborations avec un ou plusieurs laboratoires universitaires viendront compléter cet environnement scientifique.
Le travail reposera sur 2 approches complémentaires :
• Un volet expérimental réalisé au sein de l’Installation Classée pour la Protection de l’Environnement (ICPE) Labo UO2, qui est une installation spécialisée dans l’étude de la fabrication des combustibles à base de dioxyde d’uranium UO2. Ce volet consistera à élaborer des céramiques UO2 à partir de granulés présentant différentes caractéristiques, puis à réaliser des caractérisations fines de la microstructure du combustible obtenu.
• Un volet numérique consacré à la modélisation par éléments discrets (DEM, Discrete Element Method). En lien avec les modélisateurs du SESC, les simulations permettront d’étudier le comportement des granulés et des milieux granulaires au cours du procédé, d’analyser les mécanismes physiques en jeu et d’orienter la conception des expérimentations et leur interprétation.
Le croisement des résultats expérimentaux et numériques permettra de développer une compréhension approfondie des mécanismes qui relient les propriétés des granulés à la microstructure finale du combustible.
Les résultats seront valorisés par des publications dans des journaux spécialisés ou dans des présentations en conférences. Les compétences professionnelles acquises pourront être valorisées dans divers domaines, nucléaires ou non-nucléaires : comportement des milieux granulaires, métallurgie des poudres, fabrication et caractérisation des céramiques ainsi que la simulation numérique par éléments discrets.
*https://doi.org/10.21105/joss.07484