Construction d’un modèle de Mécanique des Champs de Dislocations appliqué au comportement viscoplastique des polycristaux de dioxyde d’uranium

Jury
Rapporteurs :
Marc Fivel Directeur de recherche, SIMAP Grenoble INP
Samuel Forest Directeur de recherche, CDM Mines Paris CNRS
Examinateurs :
Vincent Taupin Chargé de recherche, Université de Lorraine | LEM3, Metz
Nabila Maloufi Professeure des universités, Université de Lorraine | LEM3, Metz
Salima Bouvier Professeure des universités, Roberval UTC Compiègne,
Encadrant :
Etienne Castelier Ingénieur de recherche, CEA Cadarache
Directeur de thèse :
Jean Marie Gatt Directeur de recherche, CEA Cadarache
Co-directeur de thèse :
Frédéric Lebon Professeur, Aix Marseille Université | LMA

Résumé : Le dioxyde d’uranium (UO2) est utilisé comme combustible nucléaire, sous forme de pastilles, dans les Réacteurs nucléaires à Eau Pressurisée (REP). En fonctionnement incidentel, le combustible subit une forte élévation de température, pouvant atteindre les 1900°C au centre des pastilles, engendrant des déformations viscoplastiques contrôlées par des mouvements de dislocations.
Des examens à l’échelle microscopique, sur des pastilles déformées, ont mis en évidence la formation de sous-grains, caractérisés par une rotation du réseau cristallin. Cette désorientation du réseau est attribuée aux Dislocations Géométriquement Nécessaires (en anglais : "Geometrically Necessary Dislocations" ou GNDs), qui sont des dislocations en excès dans le matériau, et qui se manifestent par une distorsion du réseau cristallin à l’échelle du polycristal.
D’autres dislocations existent : les Dislocations Statistiquement Stockées (en anglais : "Statistically Stored Dislocations" ou SSDs), qui ne participent pas à la courbure du réseau cristallin, mais contribuent cependant à l’écoulement plastique.
Le présent travail traite de la modélisation du comportement viscoplastique du polycristal d’UO2, en modélisant l’écoulement plastique des deux populations de dislocations : les SSDs et les GNDs. Cette modélisation est développée dans le cadre de la Mécanique des Champs de Dislocations (en anglais : "Field Dislocations Mechanics" ou FDM), qui introduit le tenseur de Nye pour représenter les GNDs, et qui modélise leur écoulement à l’échelle du polycristal.
À l'échelle microscopique, les dislocations sont toutes les mêmes. Or, les premiers modèles de FDM faisaient bouger les SSDs et les GNDs de manières différentes. Pour retrouver un traitement équivalent des dislocations, le travail de thèse propose de repartir des équations fondamentales, vérifiées par les dislocations à l'échelle microscopique, et de les homogénéiser pour retrouver les équations de la FDM, en s'appuyant sur aucune hypothèse constitutive. Ce travail montre comment les SSDs sont transformées en GNDs, et inversement, suivant le mouvement des dislocations.
Le mouvement des dislocations est de deux natures : le glissement et la montée. La vitesse de montée, contrôlée par la diffusion des lacunes, peut être évaluée théoriquement. Pour la vitesse de glissement, il faut pouvoir l'identifier sur des essais mécaniques. Des essais sur monocristaux ont ainsi été utilisés pour ajuster un modèle semi-empirique, qui tient compte de l'écrouissage, en gérant une population de dislocations bloquées. Ce modèle a été utilisé pour modéliser la compression d'agrégats polycristallins d'UO2. La résolution mécanique et le transport des GNDs sont résolus par Transformée de Fourier Rapide (FFT). Les résultats montrent l'accumulation des GNDs sur les joints de grains, leur glissement dans les grains et la formation de sous-grains, ce qui reproduit qualitativement les observations expérimentales. Le modèle prédit bien le comportement moyen des polycristaux, ainsi que l’influence des conditions expérimentales : vitesse de déformation et température.

Jeudi 16 février 2023 à 13h30, salle Philippe Brossard, bâtiment 151, Cadarache