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Study of the effect of cracked graphite bricks on the local deformation of AGR reactors’ core

P. Martinuzzi (EDF / R&D / UKC)

Contexte industriel et objectifs

Dans le cadre de la prolongation de la durée de vie de ses centrales Advanced Gas-cooled Reactors (AGR), EDF Energy doit étudier la fissuration dans les briques de graphite présentes dans les réacteurs. Ces briques étant destinées à contenir les barres de combustibles et les barres de contrôle, il convient s’intéresser à l’influence des fissures sur le comportement de l’assemblage. Dans cette optique, le centre de R&D d’EDF Energy au Royaume-Uni (UK Centre) étudie finement les formes des fissures dans les briques de graphite et leurs effets tant au niveau de la déformation locale du cœur que sur son comportement global.

Dans ce contexte, différents modèles mécaniques ont été développés à l’aide de la plateforme Salome-Meca (Figure 1). La simulation, en associant code_aster et l’outil MoFEM, permet d’analyser la propagation de fissures dans le graphite irradié. Les modèles comprenant une brique fissurée et ses composants voisins permettent d’étudier le comportement du cœur et ses déformations locales. Enfin, des modèles du cœur complet, avec une représentation plus simple des composants, analysent le comportement global du réacteur en sollicitation sismique. Les modèles développés au UK Centre sont en appui d’autres modèles faits par EDF Energy et ses partenaires et visent à les conforter ainsi qu’à augmenter leurs performances et leur degré de précision.

Figure 1 : Briques de graphite présentes dans le cœur des centrales AGR et leurs modélisations au UK Centre : fissuration d’une brique de graphite avec MoFEM (gauche), effet d’une brique fissurée sur les briques voisines (modèle CBNA au centre), comportement du cœur fissure sous chargement sismique (droite).

Comportement du graphite irradié

L’irradiation à neutrons rapides et l’oxydation radiolytique du graphite conduisent à des changements de géométrie (Figure 2) ainsi qu’à des changements de propriétés matériaux. Avec le temps, des contraintes internes vont se développer. Ces contraintes sont à l’origine de la fissuration des briques. Le comportement du graphite présent dans les AGR est étudié de près et des lois de comportement spécifiques ont été développées par l’entreprise Wood. Notamment, une loi User MATerial (UMAT) a été développée, à l’origine pour le logiciel ABAQUS. Elle est désormais utilisable dans code_aster grâce à son interface UMAT.

La brique fissurée, relâchant ses contraintes internes et continuant à se déformer avec l’irradiation, va générer des contraintes et déformations supplémentaires sur ses briques voisines. C’est ce phénomène qui est étudié dans les modèles dits Cracked Brick Neighbourhood Arrays (CBNA).

Figure 2 : Représentation amplifiée de l’évolution géométrique d’une brique de graphite irradiée.

Les modèles CBNA (Cracked Brick Neighbourhood Array)

Dans les modèles CBNA, on étudie l’interaction entre une brique fissurée et ses composants voisins. Un module CBNA est composé d’une brique de type Fuel Brick (destinée à contenir le combustible) et de l’ensemble de ses composants voisins. La taille du modèle est définie par le nombre de modules répétés dans les trois directions (noté XxYxZ). Chaque composant est modélisé en 3D. La complexité du modèle vient essentiellement de la prise en compte du contact, qui s’étend sur des centaines de zones où les algorithmes de contact sont mis à rude épreuve. Le module et un exemple de CBNA 3x3x1 sont représentés Figure 3.

Figure 3 : Représentation des différentes briques présentes dans un module CBNA (gauche) et exemple de CBNA de dimensions 3x3x1 (droite).

Résultats

Des résultats ont été obtenus sur des modèles 1x1x1 (Figure 4), 1x1x3, et 3x3x1 et comparés avec des modèles équivalents ABAQUS. La comparaison des déplacements, des contraintes, de l’ouverture de fissure et des variables internes est satisfaisante. En termes de performances et de convergence, les deux codes donnent des résultats également très proches. Il faut cependant noter qu’il est impossible de développer des modèles rigoureusement identiques. Par ailleurs, ABAQUS contient certaines fonctionnalités supplémentaires. Une comparaison plus poussée sur l’analyse des pressions de contact et des énergies sera effectuée prochainement.

Figure 4 : Visualisation de la déformée (gauche) et de l’évolution spatiale du module de Young (droite) pour un modèle CBNA de taille 1x1x1.

Conclusion et perspectives

Les études effectuées permettent de démontrer la faisabilité des modèles CBNA dans code_aster. Ces modèles contiennent un grand nombre de surfaces de contact et plusieurs millions de degrés de libertés. Ceci est permis notamment par l’amélioration récente des algorithmes de contact.

À l’avenir, les efforts vont se concentrer sur le développement d’un outil d’insertion de fissure permettant de chaîner les modèles de vieillissement de graphite dans code_aster avec l’outil de propagation de fissure MoFEM (Figure 5). L’objectif étant de pouvoir tester l’influence de la forme de la fissure sur les déformations locales du cœur graphite, et inversement. La faisabilité ayant déjà été testée, il s’agit désormais d’améliorer l’ergonomie pour faciliter la prise en main par nos partenaires industriels (Wood). La prise en compte de plusieurs fissures, sur une seule ou plusieurs briques, sera également considérée.

En parallèle, une attention particulière sera portée sur la performance du code et sur la validité des algorithmes de contact dans ce cas industriel complexe. Les fonctionnalités plus avancées, telles que la nouvelle méthode de contact « LAC » et le frottement, seront également testées.

Figure 5 : Schéma du chaînage entre code_aster et MoFEM pour l’étude du vieillissement et de la fissuration des briques de graphite des centrales AGR.