Stage- simulations atomistiques des effets des éléments d'alliage au sein de céramiques nucléaires h/f

Vous serez accueilli·e au sein de l’IRESNE, institut de la DES, où vous intégrerez l’équipe du laboratoire et participerez pleinement à ses activités.

Les mesures des propriétés thermo-physiques et mécaniques des combustibles nucléaires actuellement exploités au sein des réacteurs à eau légère sont fortement dispersées et entachées de grandes incertitudes expérimentales à haute température, notamment pour le combustible UO2 incorporant du gadolinium.

De plus, pour certaines propriétés les mesures sont inexistantes à haute température. Les lois matériaux phénoménologiques, associées à ces propriétés matériaux et intégrées dans les codes de simulation, se retrouvent également entachées de ces biais. Ces lois matériaux sont donc fortement pénalisées à haute température dans les études de sûretés, ce qui induit des pertes de marges sur les grandeurs d’intérêt analysées dans les études de sûreté pour les exploitants des réacteurs nucléaires.

Analyser si des marges pourraient être restaurées, via notamment la dépénalisation de ces lois associées aux propriétés thermo-physiques et mécaniques des combustibles nucléaires, est un enjeu industriel.

Objectif du stage :

Développer et utiliser des outils de simulation avancés pour évaluer, à l’échelle atomique, des lois matériaux plus physiques pour le combustible UO2 incorporant du gadolinium. Le cœur de la démarche reposera sur de la simulation atomistique exploitant la méthode de la dynamique moléculaire classique.

Missions proposées :

Calculer par dynamique moléculaire, pour le combustible UO2 incorporant du gadolinium, les propriétés thermo-physiques et mécaniques décrites ci-dessous en fonction de la température (T de 20°C à la 2850°C) et de la teneur en gadolinium (Gd de 0 à 8%) :

1. Propriétés thermo-physiques : paramètre de maille, chaleur spécifique, diffusivité thermique, densité, conductivité thermique (déduite des précédentes) et température de fusion.
2. Propriétés mécaniques : dilatations thermiques, modules élastiques et en option les propriétés à rupture intergranulaires (modélisation de bi-cristaux avec étude de l’influence des orientations des grains).

Interpréter et visualiser les résultats pour les comparer aux mesures et aux lois phénoménologiques disponibles au sein de la littérature internationale.

Ce que vous apprendrez

Manipuler des méthodes numériques de pointe à l’interface entre mécanique quantique et simulations atomistiques.

Développer des compétences valorisables dans le domaine de l’énergie, de la science des matériaux et de la modélisation avancée.

Intégrer une équipe dynamique au CEA Cadarache, en collaboration étroite avec EDF et Framatome, et participer à la recherche sur les combustibles nucléaires exploités en cœur de réacteur.