Résumé
Afin de modéliser la tenue thermomécanique du combustible nucléaire UO2, utilisé dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée, au cours d'une hypothétique situation accidentelle telle que le RIA (Reactivity Initiated Accidents), une connaissance précise du seuil de rupture des joints de grains est nécessaire. Actuellement, les seuils de rupture utilisés dans les codes de simulation des combustibles nucléaires sont semi-empiriques et doivent être consolidés. L’objectif de cette thèse est d'obtenir, par une approche multi-échelle atomistique/mésoscopique, les paramètres élastiques, la contrainte et l’énergie à rupture des joints de grains dans l'UO2. Cette approche consiste à identifier les paramètres d’un modèle cohésif à l’échelle mésoscopique avec des données issues de simulations atomistique. A l’échelle atomistique, des calculs de dynamique moléculaire avec un potentiel semi-empirique à charges variables (SMTB-Q) sont menés à l'aide du logiciel LAMMPS. Ces calculs permettent l'obtention des grandeurs physiques caractérisant la rupture de trois joints de grains représentatifs de l'UO2. L'analyse structurale, réalisée sur les trois structures de joint de grains soumises à des contraintes de traction uniaxiale et sur une large plage de températures, a montré que le travail de séparation est la grandeur la plus appropriée pour caractériser d'un point de vue énergétique le processus de rupture. Le travail de séparation, étant une grandeur de parcours (dépend du trajet de chargement), dépend néanmoins de la vitesse de déformation du système, tout comme les contraintes maximales atteintes lors de la traction. L'analyse cristallographique n'a pas mis en évidence la formation de nouvelles phases ou la nucléation de dislocations au niveau des joints de grains, la rupture étant de type fragile. A l’échelle continue, une approche cohésive-volumétrique utilisant les concepts de modèles de zones cohésives frottantes (FCZM) et de méthodes de modélisation numérique des systèmes multicorps basées sur l'approche Non Smooth Contact Dynamics (NSCD) est utilisée pour simuler la rupture de joint de grains avec la présence d'une bulle sous chargement de traction uniaxiale et de pression hydrostatique. Le code de calcul associé, appelé XPER, permet d'analyser la fissuration induite par les joints de grains. Une étude paramétrique sur la taille, le nombre et la forme des bulles intergranulaires est menée. Les bulles munies de bords pointus favorisent la concentration de contrainte, facilitant ainsi l'amorçage de la rupture. Les tendances observées concernant la variation de la taille des bulles sont similaires au modèle de Griffith. Les résultats sont conformes aux résultats expérimentaux. Enfin, sur la base des résultats mésoscopiques, un critère de rupture des joints de grains implémentable dans les codes macroscopiques simulant le scénario accidentel, est proposé.