Modélisation multiéchelle par méthode champ de phase de l’évolution thermomécanique et de la microstructure des combustibles nucléaires – PhaMMAT

Le projet PhaMMAT vise à développer un cadre de simulation multiéchelle du comportement thermomécanique (TM) des matériaux, couplé à l’évolution de leur microstructure polycristalline hétérogène. Ce cadre sera implémenté dans un outil de modélisation numérique permettant d’étudier l’interaction dynamique entre contraintes mécaniques, évolutions microstructurales (bulles, porosités, sous-grains) et chimie locale. L’étude portera notamment sur les phénomènes de restructuration observés dans les combustibles nucléaires à base d’oxyde d’uranium (UO2) à fort taux de combustion. La formation de sous-grains dans ces matériaux reste mal comprise, malgré son influence majeure sur les propriétés fonctionnelles (conductivité thermique, tenue mécanique, relâchement gazeux) et sur le comportement du combustible en conditions accidentelles.

Les approches existantes en simulation de l’évolution des gaz de fission ne permettent pas de représenter de manière réaliste ces couplages dans des systèmes polycristallins tridimensionnels complexes. Elles s’appuient sur des lois empiriques ou des géométries simplifiées, et négligent les rétroactions entre les champs TM et la microstructure. Pour surmonter ces limitations, le projet développera un modèle de champ de phase à l’échelle mésoscopique, capable de simuler de manière couplée l’évolution des grains, bulles, défauts, contraintes élastiques et viscoplastiques, dans des représentations réalistes de microstructures obtenues à partir de micrographies expérimentales. L’objectif est de produire un outil numérique capable de résoudre de manière auto-cohérente l’évolution conjointe de ces champs physiques dans un domaine 3D à haute résolution (jusqu’à 10? voxels).

La démarche suivra une feuille de route progressive de validation expérimentale, avec quatre étapes successives associées à une complexité croissante, tant sur le plan physique que numérique : (1) modélisation du frittage de poudres ; (2) évolution de bulles dans des échantillons post-irradiés soumis à des rampes thermiques ou de puissance ; (3) simulation d’historiques complets d’irradiation avec nucléation de bulles ; (4) modélisation de la restructuration et de la formation des sous-grains. Chaque étape correspond à un work package, et fera l’objet de comparaisons systématiques avec des données expérimentales, des modèles analytiques et d’autres codes de simulation.

L’architecture logicielle sera conçue pour le calcul haute performance (HPC), à partir d’un développement indépendant et innovant. Elle sera interopérable avec la plateforme PLEIADES afin de faciliter les couplages multi-physiques et de tirer parti des solveurs thermomécaniques existants.

Ce projet permettra de franchir une étape significative dans l’intégration de modèles physiques prédictifs dans les codes de performance du combustible, avec des retombées attendues en termes de sûreté des réacteurs, d’optimisation des ressources fissiles et de conception de nouveaux matériaux nucléaires. Par son approche générique et modulaire, le modèle développé sera également adapté à d’autres systèmes à microstructure évolutive soumis à des sollicitations sévères, notamment dans le domaine des matériaux inorganiques fonctionnels, des céramiques structurales ou des matériaux pour l’énergie (tels que les piles à combustible ou les matériaux thermostructuraux). Une partie du code sera diffusée en open source afin d’en favoriser la réutilisation dans d’autres contextes scientifiques.

Le projet s’inscrit dans les priorités de l’axe B.02, en combinant des approches multi-échelles, multiphysiques et des simulations avancées pour comprendre les liens entre microstructure, propriétés fonctionnelles et comportement mécanique de matériaux soumis à des conditions extrêmes.