Soutenance de thèse de DELOBRE Etienne
Titre de thèse
Effet de l'irradiation sur le comportement thermique d'un combustible UO₂ à forte porosité ouverte
Effect of irradiation on the thermal behaviour of UO₂ fuel with high open porosity
Résumé de la thèse
Les céramiques de dioxyde d'uranium (UO₂), utilisées comme combustibles dans les réacteurs nucléaires, font l'objet d'études visant à garantir leur bon fonctionnement en service. En particulier, l'évolution de leur conductivité thermique, susceptible d'évoluer sous l'effet de la température et de l'irradiation, est un point d'attention. Parmi les facteurs influençant cette évolution, la porosité joue un rôle essentiel.
Les céramiques considérées dans ce travail sont mises en forme par un procédé de métallurgie des poudres. En modifiant le procédé standard, il est possible d'influencer la nature (ouverte ou fermée) et la morphologie de la porosité. Le procédé standard conduit à une dispersion de pores quasi sphériques et occlus. Le procédé alternatif considéré ici conduit quant à lui, en plus de cette distribution de pores occlus, à un réseau poreux interconnecté.
Ce travail vise à caractériser, comprendre et prédire l'évolution de ce réseau poreux interconnecté dans le combustible nucléaire UO₂ sous irradiation, et à évaluer son influence sur la conductivité thermique effective du matériau.
Deux stratégies sont mises en œuvre. La première repose sur des images 2D de microscopie optique à différents niveaux d'irradiation. Ces images, dégradées par l'irradiation, ne peuvent pas être utilisées telles quelles. Une correction, basée sur l'entraînement d'un réseau de neurones, est donc mise en place, la base d'entraînement de ce réseau étant constituée d'images de synthèse. Les images traitées sont ensuite utilisées pour caractériser l'évolution du réseau poreux durant l'irradiation et pour générer des microstructures virtuelles 3D du combustible irradié servant au calcul de la conductivité.
La seconde stratégie utilise des images 3D de tomographie à rayons X du combustible avant irradiation afin de simuler les effets de l'irradiation sur le réseau poreux. Une étape préalable de caractérisation du réseau poreux 3D est réalisée par analyse d'images et permet de calculer les champs d'épaisseur et d'orientation du réseau poreux. Le traitement de ces informations permet leur utilisation comme conditions initiales d'un modèle d'évolution de la microstructure sous irradiation. Ce modèle prend en compte les ingrédients mécaniques (confinement du combustible, gonflement et fluage) susceptibles de conduire à une évolution du réseau poreux, est mis en œuvre via la technique de la transformation de Fourier rapide (FFT). Ces simulations permettent d'étudier sur un élément de volume, la cinétique de fermeture du réseau poreux.
Enfin, des lois de conductivité thermique sous la forme de fractions rationnelles dépendant du rapport des conductivités du solide et du gaz sont construites pour chaque microstructure 3D irradié obtenue plus haut. Ces lois sont obtenues en utilisant conjointement les approximants de Padé et la technique (FFT).
Thesis resume
Uranium dioxide (UO₂) ceramics, used as fuel in nuclear reactors, are the subject of numerous studies aimed at ensuring their reliable performance in service. In particular, changes in their thermal conductivity - which is susceptible to degradation due to temperature and irradiation - represent a point of interest. Among the factors influencing this degradation, porosity plays a predominant role.
The ceramics considered in this study are shaped using a powder metallurgy process. By modifying the standard process, it is possible to influence their microstructure, and in particular the nature (open or closed) and morphology of the porosity. The standard powder metallurgy process results in a distribution of relatively spherical, occluded pores. The alternative process considered here, in addition to this distribution of occluded pores, results in an interconnected porous network.
This work aims to characterise, understand and predict the evolution of the interconnected porous network in UO₂ nuclear fuel under irradiation, as well as to assess its influence on the material's effective thermal conductivity.
Two strategies are being implemented. The first is based on 2D optical microscopy images taken at different levels of irradiation. These images, which are degraded by irradiation, cannot be used as they stand. A correction method, based on training a neural network, is therefore implemented, with the training data for this network consisting of computer-generated images. The processed images are then used to characterise the evolution of the porous network during irradiation and to tune a model to generate virtual 3D microstructures of the irradiated fuel, which are then used to calculate conductivity.
The second strategy uses 3D X-ray tomography images of the fuel before irradiation in order to simulate the effects of irradiation on the porous network. A preliminary step involving the characterisation of the porous network is carried out through image analysis, enabling the calculation of the thickness and orientation fields of the porous network. Processing this information enables it to be used as the initial conditions for a model of microstructural evolution under irradiation. This model takes into account the fuel confinement, swelling and creep, which can lead to changes in the porous network. It is implemented using the Fast Fourier transform (FFT) technique. These simulations enable the kinetics of the closure of the porous network to be studied on a volume element.
Finally, thermal conductivity laws in the form of rational fractions, depending on the ratio of the thermal conductivities of the solid and the gas, are derived for each irradiated 3D microstructure obtained above. These laws are derived by combining Padé approximants with the FFT technique.