Etude expérimentale et modélisation du comportement mécanique du combustible UO2 en compression à haute température et forte vitesse de sollicitation

L’objectif de ce travail est de caractériser et de modéliser le comportement mécanique des oxydes d’uranium (UO2) en situation d’accident d’injection de réactivité (Reactivity Initiated Accident ou RIA). Les sollicitations vues par le combustible durant un RIA sont caractérisées par de fortes vitesses de déformation (jusqu’à 1 /s) et de fortes températures (1000 ◦C – 2500 ◦C). Deux lots de pastilles d’UO2 (de type industriel et à forte densité) ont donc fait l’objet d’une campagne d’essais de compression à vitesses de déplacement imposées (0,1 - 100 mm/min auxquelles correspondent des vitesses de déformations de 10−4 /s - 10−1 /s) et à températures régulées (1100 ◦C – 1350 ◦C – 1550 ◦C et 1700 ◦C). Les résultats expérimentaux obtenus (évolution de la géométrie, de la contrainte d’écoulement et de la microstructure) ont permis de définir un modèle de fluage en sinus hyperbolique ainsi qu’un critère de Drucker-Prager avec plasticité associée, modélisant la fragmentation des joints de grain à l’échelle macroscopique. Des simulations Éléments Finis de ces essais et de plus de 200 essais de fluage ont servi à valider la réponse du modèle sur une grande gamme de températures (1100 ◦C – 1700 ◦C) et de vitesses de déformation (10−9 /s - 10−1 s). Enfin, une loi de comportement dite L3F (Loi Fluage Fissuration Fracturation des joints de grain) a été développée pour l’UO2 en ajoutant, au modèle précédent, le fluage d’irradiation et la fissuration macroscopique en traction. Cette loi a alors été utilisée dans le code crayon combustible ALCYONE-RIA pour simuler, à l’aide d’une modélisation 1,5D, les essais REP-Na effectués dans le réacteur expérimental CABRI. Les résultats de simulation sont en bon accord avec les observations postessais.The aim of this work is to characterize and model the mechanical behavior of uranium dioxide (UO2) during a Reactivity Initiated Accident (RIA). The fuel loading during a RIA is characterized by high strain rates (up to 1 /s) and high temperatures (1000 ◦C – 2500 ◦C). Two types of UO2 pellets (commercial and high density) were therefore tested in compression with prescribed displacement rates (0.1 - 100 mm/min corresponding to strain rates of 10−4 /s - 10−1 /s) and temperatures (1100 ◦C – 1350 ◦C – 1550 ◦C et 1700 ◦C). Experimental results (geometry, yield stress and microstructure) allowed us to define a hyperbolic sine creep law and a Drucker-Prager criterion with associated plasticity, in order to model grain boundaries fragmentation at the macroscopic scale. Finite Element Simulations of these tests and of more than 200 creep tests were used to assess the model response to a wide range of temperatures (1100 ◦C – 1700 ◦C) and strain rates (10−9 /s - 10−1 /s). Finally, a constitutive law called L3F was developed for UO2 by adding to the previous model irradiation creep and tensile macroscopic cracking. The L3F law was then introduced in the 1.5D scheme of the fuel performance code ALCYONE-RIA to simulate the REP-Na tests performed in the experimental reactor CABRI. Simulation results are in good agreement with posttests examinations