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IRSN, Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire

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Enhancing Nuclear Safety


Research

Theses in progress

Atomistic modeling of nuclear fuel cladding embrittlement by hidride precipitates


Host laboratory: ​Material Physics and Thermal-Mechanics Laboratory (LPTM)

Beginning of the thesis: October 2015

Student name: Paul Eymeoud



Subject description (in French)

L’alliage de zirconium constitutif des gaines des crayons combustibles mis en oeuvre dans les réacteurs à eau pressurisée est oxydé en surface par l’eau, conduisant à la création d’hydrogène par dissociation des molécules d’eau. Une partie de cet hydrogène est absorbé au coeur de la gaine. Positionnés dans les sites interstitiels de la matrice de zirconium, les atomes d’hydrogène sont initialement en solution solide. Lorsque la concentration en hydrogène atteint la limite de solubilité, l’hydrogène forme des précipités d’hydrures au sein du réseau. Ces hydrures fragilisent le matériau en abaissant sa ductilité et sa limite de rupture. Ils peuvent également être le lieu d’amorçage de fissures. Ceci constitue un enjeu de sûreté nucléaire, car l’intégrité de la gaine, première barrière de sûreté confinant la matière radioactive, doit être assurée durant l’ensemble de la vie en réacteur des crayons combustibles, puis lors de leur transport et de leur entreposage. Il est donc fondamental de bien comprendre les mécanismes régissant les précipitations et la dissolution des hydrures de zirconium sur une gamme étendue de temps, de température et de contraintes mécaniques.

Bien que de nombreuses investigations expérimentales et théoriques aient été menées depuis plusieurs décennies, nombreuses sont les contradictions et incertitudes quant à la nature, la stabilité et les cinétiques de transformation de ces hydrures. Les objectifs de cette thèse découlent alors naturellement de ces interrogations : il s’agira en premier lieu de clarifier les diagrammes de phase des hydrures de zirconium (simulations Monte- Carlo d’équilibre dans l’ensemble grand-canonique) pour lesquels de nombreuses zones d’ombre persistent, puis d’étudier la cinétique des transitions de phase, en particulier le phénomène de dissolution / remise en solution (simulations Monte-Carlo cinétique), et enfin de comprendre et de quantifier le lien entre précipité d’hydrures et contraintes locales dans le métal (simulations en Dynamique Moléculaire). Mener à bien ces simulations numériques nécessite de disposer de potentiels interatomiques fiables. Pour cela, une méthodologie globale de dérivation de potentiels à N-corps dans l’approximation des Liaisons Fortes est utilisée. Elle prend en compte l’hybridation entre électrons s, p et d, et a été développée par Alice Dufresne, précédente doctorante à l’IRSN.


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