Soutenance de thèse de Hakima BOUIZEM

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique des Solides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs),Plasticité cristalline,Mécanique des Champs de Dislocations,La transformation de Fourier rapide (FFT),Homogénéisation,Dioxyde d’uranium
Keywords
Geometrically necessary dislocations (GNDs),Crystal plasticity,Field Dislocations Mechanics,Fast Fourier transform,Homogenization,Uranium dioxide
Titre de thèse
Construction d’un modèle de Mécanique des Champs de Dislocations appliqué au comportement viscoplastique des polycristaux de dioxyde d’uranium
Construction of a Field Dislocation Mechanics model applied to the viscoplastic behavior of uranium dioxide polycrystals
Date
Jeudi 16 février 2023 à 13:30
Adresse
CEA Cadarache 13108 Saint-Paul-lez-Durance
Salle P. Brossard
Jury
Directeur de these M. Jean-Marie GATT Aix Marseille Université
Rapporteur M. Marc FIVEL SIMAP Grenoble INP
Rapporteur M. Samuel FOREST Mines Paris CNRS
CoDirecteur de these M. Frédéric LEBON Aix Marseille Université
Examinateur M. Étienne CASTELIER CEA Cadarache
Examinateur M. Vincent TAUPIN LEM3, CNRS
Examinateur Mme Nabila MALOUFI LEM3, CNRS
Examinateur Mme Salima BOUVIER UTC Compiegne

Résumé de la thèse

Dans un Réacteur nucléaire à Eau Pressurisée (REP), le combustible est constitué de dioxyde d’uranium (UO2 ) polycristallin sous forme de pastilles. À haute température, les déformations viscoplastiques de l’UO2 polycristallin sont gouvernées par le mouvement des dislocations. Des mécanismes de sous-structuration de dislocations interviennent. Les dislocations forment des murs de faible désorientation cristalline, qui divisent parfois les grains en sous-grains. Ce phénomène est associé à la présence de Dislocations Géométriquement Nécessaires (GNDs), qui accommodent la courbure du réseau cristallin induite par la déformation à l’échelle du grain. Les théories classiques de plasticité cristalline ne permettent pas d’étudier les effets d’échelle associés à la présence de GNDs. Pour cela, un modèle de plasticité basé sur la théorie de la Mécanique des Champs de Dislocations a été construit. Les GNDs sont introduites à travers le tenseur de Nye. Le modèle proposé offre une nouvelle approche d’écoulement plastique des GNDs, par projection du tenseur de Nye sur les systèmes de glissement. La formulation a été étendue pour modéliser la déformation par montée de dislocations. Ce mécanisme piloté par le phénomène de diffusion est fortement activé à température élevée. La prise en compte des GNDs dans le comportement mécanique de l’UO2 doit intégrer les incompatibilités de déformations entre les différents grains, et nécessite un calcul mécanique sur un polycristal, donc un changement d’échelle. À cette fin, le comportement mécanique de chaque grain d’UO2 doit déjà être identifié à partir des essais sur des monocristaux. Le modèle monocristallin proposé est viscoplastique : les déformations proviennent du glissement de dislocations sur deux familles de systèmes de glissement. Des équations différentielles assurent l’évolution des populations de dislocations de chaque système. De l’écrouissage est induit par les interactions entre dislocations. Le calcul mécanique et la formation des GNDs sont résolues par transformée de Fourier rapide (FFT). Les lois de comportement étudiées ont été intégrées avec le logiciel MFront. Les modèles proposés sont utilisés pour simuler des essais de compression à vitesse imposée d’un polycristal d’UO2, au cours desquels on observe l’accumulation de GNDs sur les joints de grains, leur glissement dans les grains et la formation de sous-grains. Les résultats du modèle montrent, qualitativement, un bon accord avec la sous-structuration de dislocations observée expérimentalement. Le modèle prédit bien le comportement moyen des polycristaux, ainsi que l’influence de différents paramètres, notamment la vitesse de déformation et la température.

Thesis resume

Polycrystalline uranium dioxide (UO 2 ) is commonly used as nuclear fuel, in Pressurized Water Reactors (PWRs), in the form of cylindrical pellets. At high-temperature, the viscoplastic behaviour of UO2 is governed by the dislocation flow. During deformation, substructuring mechanisms are involved whereby dislocations are arranged in sub-boundaries, subdividing the grains into sub-grains. The formed sub-boundaries are associated with the presence of Geometrically Necessary Dislocations (GNDs). Such dislocations induce a lattice curvature in order to accommodate local deformation produced among grains and rearrange in dislocation walls. Classical crystal plasticity models are insufficient to handle the scaling effects related to the GNDs presence. So, a plasticity model based on Field Dislocation Mechanics theory is built. GNDs are introduced through the Nye tensor. The proposed model provides a new plastic flow approach for GNDs, using projection of the Nye tensor on slip systems. The formulation has been extended to include dislocation climb deformation. This mechanism driven by the diffusion phenomenon is strongly activated at high temperatures. Considering GNDs in the mechanical behaviour of UO 2 must integrate the deformation incompatibilities between the different grains, and requires a mechanical calculation on a polycrystal, hence a scale change. For this, a viscoplastic behaviour model of UO 2 single crystal is identified from mechanical tests. The evolution of dislocation populations of each system is carried out through differential equations. Work hardening is induced by interactions between dislocations. Crystal plasticity model has been developed using MFront. Mechanical equilibrium and formation of GNDs are solved by Fast Fourier Transform (FFT), using TMFFT solver, which is connected to MFront. Then, the proposed models are used to simulate imposed speed compression tests of a polycrystal of UO2. The test shows: the accumulation of GNDs at the grain boundaries, glide within the grains, and the formation of sub-grains. Results predicted by the model demonstrate, qualitatively, a good agreement with the experimentally observed sub- structuring of dislocations. The model predicts well the average behaviour of polycrystals, as well as the influence of different parameters, including strain rate and temperature.