Titre de sujet :  Modélisation de la croissance des bulles d’hélium dans le tungstène : mécanismes de déplétion et rôle des dislocations

Date de début de thèse : Mai 2024

Résumé : Les tokamaks sont des candidats prometteurs pour la production d’énergie par fusion thermonucléaire. Dans ces réacteurs, le plasma est porté à une température de 150 millions de kelvins, permettant la fusion de deux isotopes de l’hydrogène (deutérium et tritium) et la production d’un neutron énergétique ainsi que d’un noyau d’hélium. Grâce à son haut point de fusion, sa bonne conductivité thermique et sa faible pulvérisation, le tungstène est un matériau de choix pour résister aux flux thermiques et particulaires (hydrogène et hélium) provenant du plasma. Cependant, l’irradiation du tungstène par l’hélium entraîne des modifications significatives de sa surface, notamment la formation de nanobulles pouvant évoluer en des zones poreuses (appelées fuzz). Au-delà des dommages causés au tungstène, l’hélium modifie le transport de l’hydrogène et pourrait jouer un rôle dans la rétention du tritium, un élément clé pour la sûreté nucléaire des tokamaks. Il est donc essentiel de comprendre les mécanismes de formation de ces bulles et de prédire leurs caractéristiques.

L’objectif principal de la thèse sera de développer un modèle à l’échelle du milieu continu permettant de reproduire fidèlement les propriétés géométriques et pression interne des bulles d’hélium obtenues expérimentalement. Ce modèle devra inclure  les interactions de l’hélium avec les dislocations , leur influence sur le  transport et la croissance  de l’hélium , ainsi que  la  déplétion des bulles d’hélium  à la surface (en considèrent l’hypothèse d’une déplétion partielle de l’hélium lors de l’éclatement des bulles) et  l’agglomération des bulles situées près de la surface. Le modèle sera résolu par éléments finis et à l’aide de la librairie python FEniCS.

Résumé : Cette thèse est réalisée en collaboration avec l’entreprise Thyssenkrupp. La microstructure du matériau est étudiée avant et après laminage à tiède. On cherche à élucider dans ce travail une question posée depuis presque 100 ans : la raison de la formation d’une texture de Goss lors du recuit final.

Encadrement : Fabien Cazes, Jia Li (dir.)

Résumé : Les polymères peuvent être mis en forme de différentes manières, comme par exemple en utilisant des techniques d’injection plastique. Plus récemment, les techniques d’impression 3D se sont fortement développées autorisant une grande liberté de forme pour les pièces produites. Ces techniques sont bien adaptées à la réalisation de prototypes car elles ne nécessitent pas la réalisation de pièces auxiliaires (moules, etc) contrairement à d’autres procédés de fabrication. Plus récemment l’augmentation des vitesses d’impression et le développement de l’automatisation permettent aussi l’utilisation de l’impression de pièces en moyenne ou en grande série. Cette application nécessite de caractériser précisément le comportement mécanique du matériau pour garantir la fiabilité des produits. Dans cette thèse, nous cherchons à caractériser mécaniquement les matériaux issus d’impressions 3D polymères en prenant en comptes la vitesse de chargement, la température de l’essai, l’anisotropie induite par le procédé de fabrication, et le comportement à la rupture. Les modèles développés permettront ensuite d’évaluer la durée de vie de matériaux exploitant pleinement la capacité du procédé de fabrication à produire des pièces de géométrie complexes comme des matériaux architecturés en nids d’abeille.

Encadrement : Fabien Cazes (LPSM), Gabriela Vincze (Univ. de Aveiro, Portual), Ioan Ionescu (LSPM, dir.)

Répartition des efforts pendant un calcul de laminage asymétrique

Résumé : On étudie dans ce travail le laminage asymétrique de tôles en alliages d’aluminium avec des approches numériques et expérimentales. L’asymétrie provient du contrôle indépendant des vitesses de rotation des rouleaux supérieurs et inférieurs lors du laminage, et produit des tôles courbées en sortie de laminoir. Des outils numériques sont développés dans le logiciel éléments-finis Castem pour modéliser le procédé en prenant en compte les vitesses de rotation différenciées des rouleaux et la possibilité de réaliser le laminage en plusieurs passes. Avec cet outil numérique, on cherche à prédire les courbures de tôles obtenues, les efforts de laminage, et les propriétés du matériau en sortie de laminoir. Ce modèle numérique est vérifié et calibré à partir d’essais expérimentaux réalisés sur des laminoirs de laboratoire avec la contribution d’essais mécaniques et d’observations microscopiques sur les tôles laminées. On cherchera également à caractériser l’influence du laminage asymétrique sur les évolutions de texture du matériau, celles-ci ayant une influence importante sur le comportement mécanique obtenu et pouvant engendrer une anisotropie du matériau. En choisissant de façon optimale les paramètres du laminage asymétrique (vitesse de rotation des rouleaux, rapport de réduction de l’épaisseur, nombre de passes et changement d’orientation de la tôle entre chaque passe), on espère obtenir des propriétés optimales du matériau en sortie de laminoir avec une relative isotropie dans le plan de la tôle. La caractérisation mécanique est réalisée avec des essais de micro-traction avec corrélation d’images. Une technique novatrice d’essais de pliage continu sous tension (CBT) sera également utilisée pendant la thèse. Cette technique permet de s’affranchir des non-linéarité géométriques apparaissant habituellement lors d’essais de traction au moment de la striction, et rendant plus difficile l’interprétation des essais.

Titre : Modélisation par éléments finis de l’impact de l’hydrogène sur la plasticité à l’échelle du polycristal

Résumé : Dans cette thèse on s’intéresse à l’étude de l’endommagement et de la rupture des matériaux dans le cas ductile soumis à un chargement cyclique.
Les études sont effectuées à partir de l’approche champ de phase en utilisant plusieurs modèles : Modèle cohésif, isotrope, Amor, Lancioni and Royer-Carfagni .
Une comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux sera effectuée pour chaque modèle.

Encadrement : Fabien Cazes, Camille Tribillon (ADR-Alcen), Cyrille Lebreton (ADR-Alcen), Brigitte Bacroix (dir.)

Résumé : Cette thèse porte sur l’évaluation des contraintes résiduelles dans les pièces mécaniques par différentes approches complémentaires. En partenariat avec l’entreprise ADR-Alcen, on cherche à caractériser les contraintes résiduelles dans des bagues de roulements à billes en acier inoxydable. Ces contraintes, induites par le procédé de fabrication composé de différents traitements thermiques et usinages, peuvent induire des distorsions dans les pièces produites suite aux redistributions de contraintes se produisant après chaque enlèvement de matière. Ces distorsions peuvent ensuite remettre en cause l’utilisation ou la montabilité des roulements à billes, les cotes à respecter étant très précises.

La détermination des contraintes résiduelles étant réputée difficile, différentes approches sont développées en parallèle pendant la thèse pour les évaluer, à titre de comparaison et en vue de la validation des résultats :

– Des approches purement numériques où l’on cherche à modéliser l’usinage du matériau avec des approches simplifiées inspirées de la littérature. Ces approches remplace l’outil de coupe et les interactions complexe de contact frottant avec le matériau usiné et le copeau formé par des conditions aux limites équivalentes. Ces condition aux limites sont constitués d’efforts et de flux de chaleur appliqués au niveau des contacts outils-pièce-copeau.

– Des approches expérimentales basées sur des méthodes de relaxation. Avec ces méthodes, on réalise des enlèvements de matière dans les pièces produites, à la suite de quoi des mesures de déplacement sont réalisées sur les surfaces découpées ou aux alentours de celles-ci. Ces mesures permettent ensuite via l’utilisation de formules et/ou de calcul numériques d’évaluer les contraintes résiduelles présentes dans le matériau avant l’enlèvement de matière. A ce sujet une méthode adaptée à la géométrie spécifique des pièces étudiées (bagues fines de grand diamètre) est en cours de développement.

– Finalement, on étudie cherche à évaluer les contraintes résiduelles en utilisant des méthodes expérimentales basées sur la diffraction des rayon-X

Encadrement: Jonathan Mougenot (dir.), Fabienne Gregori

Titre : Etude de la cinétique de restauration dans l’Eurofer et le cuivre : impacts de la température et de la présence d’impuretés (H/He)

Les matériaux des tokamaks, réacteurs dans lesquels se produit la réaction thermonucléaire de fusion de deux isotopes d’hydrogène, sont soumis à de forts flux de chaleur, ions et neutrons. Ces flux induisent une grande variété de défauts microstructuraux susceptibles de fragiliser ces matériaux et donc d’en réduire leur tenue en service. L’objectif du projet de thèse est d’étudier expérimentalement la restauration (la diminution de ces défauts par traitements thermiques) dans l’Eurofer (un acier martensitique ferritique) et le cuivre, deux matériaux clés en raison de leurs propriétés mécaniques et thermiques.
L’étude vise à déterminer les coefficients des cinétiques de restauration de ces matériaux, en s’intéressant particulièrement à l’effet des impuretés telles que l’hydrogène et l’hélium. Ces impuretés, générées dans l’environnement des réacteurs, influencent la plasticité des matériaux et leurs capacités de restauration après une exposition prolongée à des températures élevées. L’expérimentation inclut des analyses des défauts induits mécaniquement et leur évolution après des traitements thermiques. Les résultats attendus devraient permettre d’affiner les données d’entrée, en termes de densités de pièges et coefficients d’annihilation des dislocations, des modélisations du transport d’hydrogène dans ces matériaux.

Titre: Modélisation du transport et de l’inventaire du tritium dans les « breeding blanket » DEMO WCLL

Soutenance : 14/10/2024