Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures

Le Laboratoire de micromécanique et intégrité des structures (Mist) est un laboratoire « sans mur » commun au CNRS et à l’IRSN. Il associe les moyens de recherche des deux organismes dans le domaine des comportements des matériaux et des structures soumis à des ambiances nocives : ceux du Pôle de Sûreté nucléaire-Recherche en sûreté (PSN-RES) de l'IRSN à Cadarache, et ceux du Laboratoire de mécanique et génie civil (LMGC) à Montpellier pour le CNRS et l'Université de Montpellier.

L’objectif du Mist est d’étudier l’intégrité des structures hétérogènes et évolutives. Il s’agit de comprendre et de prédire le comportement des matériaux et des structures ainsi que les évolutions microstructurales que subissent les matériaux dans des ambiances nocives telles que les sollicitations thermomécaniques fortes ou le vieillissement naturel et induit. Ces ambiances se retrouvent notamment dans le domaine nucléaire (cœur de centrale, stockage de déchets, etc.).

Le Mist vise à résoudre notamment deux types de problèmes :

• La mécanique rapide : La modélisation du comportement des matériaux et structures nucléaires en situation accidentelle est dans certains cas fortement conditionnée par l’analyse de phénomènes rapides. Il peut s’agir de problèmes de dynamique globale ou locale dont l’analyse et la compréhension exigent de franchir une étape expérimentale alors que les codes de calcul sont souvent déjà à même de traiter ce genre de problèmes.
• Les évolutions microstructurales : L’enjeu est de prévoir le comportement des matériaux et des structures hétérogènes après un temps de séjour prolongé dans une ambiance fortement néfaste pour leur intégrité : évolution de la concentration des phases et de leurs propriétés, rôle de chaque phases sur le comportement global, rôle des précipités solides et gazeux, rôle d'une collection multimodale de grains, etc… Dans le domaine nucléaire, cet enjeu relève de la modélisation et de la simulation numérique du fait de l'impossibilité de mesures expérimentales directes.

Cinq thématiques de recherche sont abordées dans une démarche couplée d’analyse expérimentale des matériaux, de modélisation de leur comportement et de prédiction par simulation numérique :

1. Mécanique des matériaux solides : milieux continus – milieux discrets

Il s’agit de comprendre les comportements thermomécaniques non linéaires des matériaux constitutifs des crayons combustibles (combustible lui-même et son gainage), et de les prédire à l’aide d’outils de modélisation, sachant que

• Les combustibles relèvent de la classe des céramiques poreuses à haute température : en compression leur comportement est de type hydro-poro-mécanique et inclut de l’élasticité, du fluage et de la plasticité ; en traction, il s’agit plutôt de matériaux élastiques fragiles à faible contrainte de rupture.
• Les gainages sont assimilables à des composites multi-couches à matrice métallique et à gradient de propriétés intracouche (présence de plaquettes d’hydrure), considérés comme des solides continus (avec discontinuités internes telles que fissures ou changements de phase), ou comme milieux granulaires.

2. Changements d’échelle

Les transitions d’échelles envisagées en support de la mécanique des matériaux pour aborder les problèmes de stabilité d’assemblages fragmentés, de plasticité granulaire sous sollicitation complexe sont de plusieurs types :

• les transitions micro-méso (du grain à la collection de grains) et méso-macro (de la collection de grains à la prise en compte des macro-hétérogénéités : fissures, précipités, hydrures, inclusions de plutonium).
• les échelles inférieures à la mécanique des milieux continus ou discrets (typiquement, de la dynamique moléculaire aux propriétés microscopiques) et les transitions micro-macro directes lorsque les séparations d’échelles micro-méso-macro sont a priori abusives.

3. Couplages multiphysiques

L’objectif est de comprendre et modéliser des couplages multiphysiques dans le domaine du combustible nucléaire :

• l’interaction combustible-caloporteur lors d'une éventuelle éjection de combustible, dont la quantité et la granulométrie conditionne l'occurrence d'une explosion de vapeur ;
• le comportement des gaz de fission et leur influence sur le comportement global de la structure ;
• la microstructure évolutive des gainages par diffusion/précipitation d’hydrogène, d’oxygène, d’azote sous chargement thermomécanique ;
• les écoulements de fluides ou de gaz à travers des milieux continus poreux ou des milieux granulaires, et notamment la rupture d’équilibre d’un milieu fragmenté, qui s’apparente à de la liquéfaction de milieux granulaires.

4. Identifications expérimentales par mesures de champs

Cette thématique vient en support aux sujets précédents, mais constitue aussi une thématique de recherche à part entière du fait de l'originalité des applications visées. Il s'agit de développer des méthodes expérimentales adaptées à l'identification de lois de comportement volumique complexes relevant des matériaux hétérogènes, de modèles de zone cohésive et à diverses problématiques inverses. Ces méthodes sont essentiellement basées sur de l’imagerie mécanique (corrélation d’images ou thermographie infrarouge).

5. Intégrité des structures

Ce point concerne les échelles les plus grandes du périmètre des actions envisagées dans le cadre du Mist. Il s'agit pour l'essentiel de contribuer à la définition et à l'évaluation des critères de sûreté visant à prévenir certains types d’accidents pouvant survenir dans le domaine du nucléaire.