Modeling of the elastic behavior of nanoporous materials : application to uo2 fuel
Modélisation du comportement élastique des matériaux nanoporeux : application au combustible UO2
Résumé
The irradiated uranium dioxide (UO2), which is the nuclear fuel of pressurized water
reactors, contains two populations of cavities saturated by fission gaz : i. intergranular cavities
almost lenticular in shape whose size ranges between few tens to several hundred
nanometers, ii. intragranular cavities, almost spherical in shape whose size is of the order of
the nanometer. Recent studies have shown the existence of a surface effect at the scale of
nanometric cavities, which influences the effective elastic behavior of the nuclear fuel. In this
work, an analytical micromechanical model, which is able to take into account this heterogeneous
microstructure and the surface effect at the nanometric scale, is proposed to describe
the macroscopic behavior of the irradiated UO2. The approach is based on a multiscale
modeling and homogenization techniques in mechanics of materials. The irradiated UO2 is
described as a porous media, which contains pressurized spherical nanocavities (intragranular
cavities) and randomly oriented pressurized spheroidal cavities (intergranular cavities).
The surface effect is taken into account with imperfect coherent interfaces between the matrix
and the cavities. A novel model based on the morphologically representative pattern
approach has been developed to describe the effective elastic behavior of this heterogeneous
medium. The proposed model relies on assumptions whose relevance is evaluated with finite
element simulations which require a specific formulation to take into account the imperfect
coherent interfaces.
Le dioxyde d’uranium irradié (UO2), combustible nucléaire des réacteurs à eau pressurisée,
contient deux populations de cavités saturées par des gaz de fission : i. des cavités intergranulaires
plutôt lenticulaires, dont la taille varie de quelques dizaines à plusieurs centaines
de nanomètres, ii. des cavités intragranulaires plutôt sphériques, dont la taille est de l’ordre
du nanomètre. Des travaux récents ont montré qu’il existe un effet de surface à l’échelle
des cavités nanométriques qui modifie le comportement élastique effectif du combustible.
Ce travail vise à proposer un modèle micromécanique analytique capable de tenir compte
de cette microstructure hétérogène ainsi que de l’effet de surface afin de décrire le comportement
élastique macroscopique de l’UO2 irradié. La démarche mise en oeuvre est fondée
sur une modélisation multi-échelles et s’appuie sur des techniques d’homogénéisation en mécanique
des matériaux. L’UO2 irradié est décrit comme un matériau poreux contenant des
nanocavités sphériques (cavités intragranulaires) et sphéroïdales (cavités intergranulaires),
sous pression et orientées aléatoirement. L’effet de surface présent à l’échelle nanométrique
est pris en compte via un modèle d’interface imparfaite cohérente entre la matrice et les
cavités. Un modèle original fondé sur l’approche par motifs morphologiques représentatifs a
été développé afin de décrire le comportement élastique effectif de ce milieu hétérogène. Le
modèle analytique proposé repose sur des hypothèses simplificatrices dont la pertinence est
évaluée à partir de simulations numériques par éléments finis qui s’appuient sur une formulation
spécifique afin de tenir compte de la présence d’interfaces imparfaites cohérentes.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
---|
Loading...