Les enjeux de la simulation
«
La modélisation-simulation intervient dans toutes les étapes de la R&D du combustible : conception, fabrication, préparation et interprétation des expériences, exploitation des résultats de caractérisation. Et il faut beaucoup de physique et de données expérimentales pour construire un bon modèle qui ait les capacités de prédiction souhaitées… », explique Carole Valot, ingénieur à la Direction de l'énergie nucléaire du CEA, tout en insistant sur le va-et-vient permanent entre l’expérimentation et la simulation, chacune « nourrissant » l’autre.
Comprendre, modéliser et simuler le comportement d’un combustible nucléaire est une entreprise à la mesure de la complexité de l’objet qui implique, en plus de l’expertise des équipes du
département d’études des combustibles, celle du département des matériaux nucléaires et du département de physico-chimie.
Il faut en effet être capable de prévoir des phénomènes très divers : création de nouveaux éléments (par exemple les produits de fission), formation de cavités et bulles au sein du matériau, fissuration des pastilles, migration de matière1, déformations de la pastille, de la gaine, des assemblages.
De l’échelle atomique à celle du grain
pour coupler les phénomènes physiques fondamentaux et les données expérimentales
Pour répondre à ces enjeux, le CEA dispose d’une plateforme de simulation inédite qui permet de développer toute une gamme de modèles s’intéressant à des durées allant de la picoseconde à l’année, et à des échelles de taille comprises entre le cortège d’électrons et la pastille voire l’assemblage. «
Notre objectif est que toutes ces échelles communiquent. Or, elles font intervenir des experts de domaines très différents (physique, chimie, thermique, thermodynamique, mécanique) qui peuvent parfois avoir du mal à se comprendre. C’est l’un des enjeux de la simulation multi-échelle ! », précise la chercheuse.
1 Formation d’un trou au centre des pastilles irradiées dans les réacteurs à neutrons rapides.
2 Le matériau est constitué d’une poudre fine (grains de quelques microns) agglomérée par frittage.
Concrètement, deux approches complémentaires sont mises en œuvre. La première se dédie à la compréhension physique des phénomènes de base, en partant de l’échelle atomique pour « monter » de proche en proche jusqu’au grain2. Cette recherche de base utilise des modèles de la physique des matériaux et des codes développés par des équipes universitaires même si ces derniers doivent être adaptés car ils ne prennent pas forcément en compte les problématiques propres aux combustibles nucléaires. «
Nous n’avons pas les moyens de tout développer. Pour être à la pointe, nous utilisons ce qui se fait de mieux ailleurs et collaborons avec d’autres chercheurs du CEA et du monde académique. »
La seconde approche prend le problème par l’autre bout. Il s’agit de développer, avec EDF et Areva, des codes de performance simulant le comportement sous irradiation de la pastille ou du crayon (en s’appuyant sur des méthodes numériques développées dans le cadre de collaborations académiques) et les enrichir de données d’observation. «
Ces deux approches de simulation se rejoignent au niveau du grain, qui est finalement une échelle clé, réceptacle de nombreuses informations », constate Carole Valot.
Une pléiade de modèles et de données
À Cadarache, la plateforme de simulation du comportement des combustibles nucléaires PLEIADES rassemble les codes de performance de toutes les filières de réacteurs, en particulier deux codes majeurs : Alcyone pour les REP et Germinal pour les RNR. Elle abrite l’ensemble des modèles physiques ainsi que toutes les bases de données du CEA et de ses partenaires. «
Une des grandes forces du CEA », conclut Carole Valot.