Nanosciences pour tous

La simulation numérique au cœur des centrales nucléaires

Par Alexandre Zappelli

Qu'est ce que la simulation numérique ?

Pour aborder un problème scientifique, il est souvent très enrichissant de croiser les approches expérimentales et théoriques. Cependant, il existe certains phénomènes scientifiques que l'on ne peut pas expérimenter soit pour des raisons de coût financier et/ou pour des raisons de non faisabilité technique. Afin de faire progresser la connaissance sur ce type de problèmes, on peut proposer une approche théorique de modélisation mathématique. Là encore il existe une difficulté car pour de nombreux problèmes nous ne pouvons pas résoudre les équations du modèle qui serait le mieux adapté. La simulation numérique peut alors apporter une réponse par la résolution approchée de ces équations au moyen d'un traitement informatique. Il est alors nécessaire de développer des algorithmes spécifiques et de disposer de moyens de calculs (ordinateurs spécialisés) adaptés au problème considéré. Ces dernières années, l'utilisation de l'outil numérique s'est développé de manière conséquente dans de nombreux domaines de recherche.

Fonctionnement d'une centrale nucléaire : quelques principes de base

L'énergie fournie par une centrale nucléaire a pour origine la fission d'un atome lourd en atomes plus légers. Cette fission est initiée par une particule appelée neutron. Chaque réaction de fission produit aussi des neutrons qui à leur tour provoqueront de nouvelles fissions. Une réaction en chaîne est ainsi établie. Le combustible des centrales (les atomes lourds), est constitué d'oxyde d'uranium enrichi. Parmi les produits de cette réaction (les atomes légers), se trouvent des gaz rares comme le xénon. Le combustible est encapsulé dans une gaine métallique sous la forme d'un «crayon» de 4 mètres de long et de 1 centimètre de diamètre constitué d'un alliage spécifique à base de zirconium. Ces crayons sont plongés au cœur du réacteur et sont soumis à des conditions physiques très sévères. La température, la pression et le bombardement neutronique y sont très forts.

Quelle est l'implication du CINaM dans ces questionnements ?

Dans le contexte de l'industrie nucléaire civile, de nombreuses questions scientifiques concernant la physique et la chimie des matériaux émergent. Des chercheurs du CINaM en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de Radioprotection et de Sureté Nucléaire (IRSN) se sont saisis des problèmes suivants :

Quels sont les effets (en particulier les effets mécaniques de gonflement) d'une production de gaz (le xénon) dans la matrice de combustible ?

Après un temps de vie sous des conditions extrêmes de fonctionnement d'une centrale nucléaire, comment transporter, entreposer en recycler les gaines de combustible ?

Pour tenter d'apporter des réponses, des modèles à l'échelle de l'atome sont en cours de développement. Pour ce faire, il faut être capable de décrire les interactions entre les différents atomes, puis dans un deuxième temps de décrire leurs mouvements. Différentes techniques issues de la physique quantique et de la physique statistique sont alors utilisées. Ces simulations à l'échelle de l'atome sont limitées dans la description de phénomènes physiques sur des petites échelles de temps et d'espace.

Une autre préoccupation actuelle des chercheurs est : "comment faire le lien entre les simulations à petite, moyenne et grande échelle qui utilisent des techniques très différentes pour décrire la matière ?" L'objectif visé est d'être capable de faire des prédictions sur le comportement à grande échelle des matériaux utilisés dans les centrales nucléaires en se basant sur la physique des phénomènes à l'échelle atomique. Des préconisations concrètes sur les limites d'utilisation de ces matériaux (vieillissement précoce, fragilisation mécanique...) devraient pouvoir être données aux autorités compétentes de sécurité nucléaire ainsi qu'aux exploitants des centrales.


Evolution temporelle d'une coupe d'un crayon de combustible soumis à un fort bombardement neutronique. Au cours du temps les matériaux constitués de la gaine extérieure en zirconium et du combustible d'oxyde d'uranium se déforment d'une manière caractéristique. Des défauts sous forme de dislocations (fissures) apparaissent aussi nettement dans le combustible.

Pour en savoir plus

Sur le fonctionnement des centrales nucléaires, le cycle du combustible, les questions de sécurité : I.R.S.N
Pour une description sommaire des activités du département «Théorie et Simulation Numérique» du CINaM