Modélisation multi-échelle de la fissuration d'un élément en béton armé pour l'évaluation des débits de fuite en situation d'accident grave

Compte tenu du vieillissement du béton, et dans un contexte de projet de prolongation de la durée d'exploitation des centrales nucléaires, il est nécessaire de disposer des outils permettant de prévoir l'évolution des propriétés du béton ainsi que les conséquences associées sur la performance structurale et fonctionnelle. Ce travail s'intéresse particulièrement à l'enceinte de confinement des réacteurs nucléaires et à sa fonction d'étanchéité dans des conditions de fonctionnement nominales. Pour évaluer cette étanchéité, des essais de pressurisation sont menés à l'occasion des visites décennales. La pression interne appliquée varie autour de 4 bar en relatif à température ambiante. Les taux de fuite mesurés doivent être inférieurs à des seuils réglementaires définis pour permettre une prolongation de l'exploitation par l'Autorité de Sûreté Nucléaire.Des études expérimentales telles que MAEVA (Granger et al., 2001) ou VERCORS (Charpin et al., 2021) ont évalué le ratio de fuite à l'échelle structurelle à travers la porosité du béton et les fissures. Ces résultats sont cruciaux pour le développement et validation d'outils de simulation du comportement mécanique des matériaux quasi-fragiles (béton) et du transport dans les milieux poreux/fracturés (diffusion et écoulement). De nombreuses investigations ont démontré que divers aspects de la géométrie des fissures (par exemple, l'ouverture, la rugosité, la tortuosité) influencent les taux de fuite à l'échelle de l'éprouvette (Akhavan et al., 2012). Cela dit, caractériser précisément la géométrie tridimensionnelle des fissures dans le béton à l'échelle structurale reste aujourd'hui encore un défi majeur.Dans ce travail, une nouvelle méthode est développée, intégrant l'analyse par éléments finis (FEA sur Cast3m), la modélisation par éléments discrets selon l'approche Particule-Poutre (sur DEAP) et la mécanique des fluides numérique (CFD sur Ansys CFX), pour prédire, d'une façon aussi précise que possible, les géométries des fissures dans le béton et permettre ainsi une description réaliste des écoulements et une quantification objective des taux de fuite. La première étape de cette méthode consiste à réaliser une analyse continue macroscopique par éléments finis dont le résultat est une carte d'endommagement, suivie dans un deuxième temps de l'utilisation d'un modèle discret fin pour représenter de façon explicite la fissuration. Dans un troisième temps, une géométrie 3D de fissuration est post-traitée et maillée tenant compte d'une description fine de la tortuosité qui a un impact plus important sur le débit d'écoulement que la rugosité. En dernière étape, ce maillage de la fissure sert pour un modèle CFD pour quantifier les débits.La démarche a été appliquée à un essai de fendage brésilien, démontrant la capacité de l'outil à décrire le débit à travers des géométries de fissures complexes avec des résultats prometteurs. L'approche proposée a ensuite été appliquée au modèle COBRA, un volume de structure représentatif pour le bâtiment de confinement, afin de caractériser la fissuration. Grâce à la méthode de chaînage proposée, il a été possible de prévoir les motifs de fissures dans le béton armé en termes de tortuosité et de variations d'ouverture, améliorant ainsi la représentativité des fissures dans les modèles numériques tout en maintenant un coût computationnel raisonnable. Cette approche peut améliorer la précision des prévisions des taux de fuite. De plus, la description de l'évolution des débits en fonction des ouvertures de fissures selon une approche CFD est envisagée comme une perspective pour les applications COBRA.