Le combustible nucléaire (oxyde d’uranium) voit sa microstructure fortement endommagée lors de l’irradiation en réacteur: les atomes issus de la fission des noyaux uranium déplacent en cascade les atomes du matériau, créant des défauts d’irradiation (lacunes et interstitiels) dont l’agrégation provoque l’apparition progressive de cavités et de boucles de dislocation. Ces défauts étendus influencent notamment le volume du matériau, son fluage, sa rétention vis-à-vis des gaz de fission. Le modèle physique du phénomène est la dynamique d’amas: jeu d’équations cinétiques représentant les réactions chimiques d’agrégation des défauts sous l’effet de leur diffusion dans le matériau.

La plupart des paramètres du modèle sont issus de calculs atomistiques (énergies de formation et de migration des défauts, dommage d’irradiation). Cependant une partie d’entre eux n’a pas été calculée et sont pratiquement impossibles à mesurer directement. La démarche proposée pour ce stage est double: 

1/ Ajuster les paramètres manquant en utilisant le modèle  pour simuler des résultats d’expériences (déjà disponibles au laboratoire) dans lesquelles la microstructure est impactée, comme la caractérisation au microscope  électronique à transmission des dislocations et des cavités  (taille, concentration). On utilisera pour cela des techniques innovantes:

• analyse de sensibilité pour déterminer quels paramètres ont un impact sur les grandeurs mesurées 
• optimisation  algorithmes génétiques) pour ajuster au mieux ces  paramètres. On utilisera la plateforme URANIE™ développée au CEA pour l’analyse statistique des données. 
• monte carlo cinétique pour simuler le dommage d’irradiation

2/ Valider ce modèle ainsi paramétré en comparant ses résultats à des mesures issues d’autres expériences.

Le modèle sera ensuite appliqué à de nouvelles situations, comme l’irradiation en pile du combustible dans le but de prédire le relâchement des gaz de fission par exemple ou la densité de boucles et lignes de dislocation.

Ce sujet de modélisation comporte des tâches variées :

• l’interprétation d’expériences
• des développements informatiques simples de scripts d’optimisation pour URANIE
• la simulation de situations expérimentales ou industrielles

Ce stage offre ainsi l’opportunité au candidat, en adoptant une position centrale et un point de vue synthétique, de contribuer au développement de la physique numérique appliquée à la modélisation multiéchelle. Il lui permettra d’expérimenter par lui-même en quoi des outils de simulation basés sur les données microscopiques les plus fondamentales permettent de traiter et expliquer des situations pratiques.

Refs:

1. Skorek, Étude Par Dynamique d’Amas de l’influence Des Défauts d’irradiation Sur La Migration Des Gaz de Fission Dans Le Dioxyde d’uranium, PhD Thesis, Univ. Aix-Marseille, 2013.
2. Gilabert, Horlait, Barthe, Desgardin, Amany, Carlot, Gérardin, Maillard, Wiss, D2.2 - Behaviour of Fission Gases and Helium in Uranium Dioxide, EC report, 2020.

Parcours de formation de type master 1 / master 2 ou dernière année Ecole d'ingénieur.

Spécialité : physique numérique, physique de la matière condensée / matériaux, 

Points particuliers : cinétique chimique, irradiation des matériaux

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