Ce travail de these a porte sur la simulation numerique du comportement thermique et mecanique d'un combustible nucleaire a particules. Il s'agit d'un composite refractaire constitue d'une matrice de graphite comportant 45 % en fraction volumique de particules spheriques d'UO₂ revetues de deux couches de pyrocarbone. L'objectif etait de developper une modelisation multi-echelles de ce composite afin d'estimer son comportement moyen, ainsi que les heterogeneites des champs mecaniques au sein des constituants. Nous avons modelise la microstructure du combustible et genere des echantillons numeriques en 3D. Pour cela, des outils de generation de distributions aleatoires de spheres, de maillage et de caracterisation microstructurale, telle la covariance, ont ete developpes dans le code de calcul Cast3M. Une centaine d'echantillons numeriques de differentes tailles ont ete realises. Le comportement thermo-elastique du combustible a ete caracterise a partir de ces echantillons, a l'aide de calculs de microstructures par elements finis. Nous avons etudie l'influence de divers parametres de la modelisation, dont les conditions aux limites. Nous proposons une methode pour s'affranchir des effets des conditions aux limites sur les resultats, appelee methode d'erosion. Elle s'appuie sur l'analyse des resultats sur un erode du volume elementaire. Nous avons alors determine les proprietes effectives du composite (modules d'elasticite, conductivite thermique, dilatation thermique), ainsi que les distributions des champs mecaniques locaux au sein de la matrice. Enfin, nous avons propose un modele de changement d'echelles permettant d'obtenir, non seulement les valeurs moyennes des variables mecaniques dans chaque phase, mais egalement leurs variances et covariances pourtout chargement macroscopique impose. Cette approche statistique de changement d'echelles permet ainsi d'estimer la distribution des grandeurs mecaniques au sein de chaque phase du composite