Mécanique

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

BESSON Jacques

Centre des Matériaux

30/04/2024

Sciences des matériaux, mécanique de la rupture, DHC, fragilisation par l'hydrogène, zirconium,

Materials science, fracture mechanics, DHC, hydrogen embrittlement, zirconium, finite element simulations

La DHC (Delayed Hydride Cracking) est un phénomène critique observé dans les alliages de zirconium utilisés dans les gaines combustibles nucléaires. Ce processus résulte de l'interaction entre des défauts préexistants, tels que des fissures, et l'hydrogène présent dans le matériau. Lorsque soumis à des contraintes, l'hydrogène diffuse vers ces défauts et forme des hydrures, fragilisant ainsi la structure et provoquant la propagation des fissures. Pour mieux comprendre et prévenir la DHC, cette thèse se concentre sur plusieurs mécanismes clés. Cela inclut la diffusion de l'hydrogène dans le matériau, la cinétique de formation des hydrures et la morphologie de ces derniers. Une étude expérimentale sera développée pour évaluer la résistance des alliages de zirconium à la DHC, avec pour objectif d'appliquer ces procédures à des matériaux plus modernes et à développer des modèles de microstructure pour prédire le comportement des alliages de zirconium. Cette thèse s'appuiera pour cela sur des analyses expérimentales approfondies, des caractérisations mécaniques et microstructurales, ainsi que des modélisations numériques avancées. En contribuant à la compréhension et à la prévention de la DHC, elle joue un rôle crucial dans le domaine des applications nucléaires, en assurant la sûreté et la fiabilité des structures utilisées dans les centrales.

Delayed Hydride Cracking (DHC) is a critical phenomenon observed in zirconium alloys used in nuclear fuel cladding. This process results from the interaction between pre-existing defects, such as cracks, and the hydrogen present in the material. When subjected to stress, hydrogen diffuses towards these defects and forms hydrides, thus embrittling the structure and causing crack propagation. To better understand and prevent DHC, this thesis focuses on several key mechanisms. These include hydrogen diffusion in the material, hydride formation kinetics and hydride morphology. An experimental study will be developed to assess the resistance of zirconium alloys to DHC, with the aim of applying these procedures to more modern materials and developing microstructure models to predict the behavior of zirconium alloys. The thesis will be based on in-depth experimental analysis, mechanical and microstructural characterization and advanced numerical modeling. By contributing to the understanding and prevention of DHC, it plays a crucial role in nuclear applications, ensuring the safety and reliability of structures used in power plants.

La DHC (Delayed Hydride Cracking, à savoir fissuration différée par hydruration) est un mode de rupture différé des alliages de zirconium. Ce phénomène résulte de l'interaction entre d'une part un défaut préexistant (une fissure par exemple) et d'autre part l'hydrogène. A chargement constant et sous l'action du champ de contrainte, l'hydrogène va diffuser vers ce défaut, puis précipiter sous forme d'hydrures en pointe de fissure. Une fois que la zone hydrurée ne supporte plus la contrainte locale de traction, celle-ci rompt de manière fragile, provoquant l'avancée de la fissure. L'hydrogène va alors de nouveau diffuser en pointe de la nouvelle fissure, puis engendrer un nouveau cycle.

Ainsi, différents mécanismes sont moteurs dans ce phénomène de DHC :
• La diffusion de l'hydrogène en solution solide (fonction de la température). Elle se fait sous l'effet de trois forces motrices (un gradient de contrainte, de concentration d'hydrogène et de température), favorisant l'augmentation de la concentration d'hydrogène dans les zones en traction.
• Les cinétiques de précipitation, croissance et dissolution des hydrures (fonctions de l'historique thermomécanique, c'est-à-dire de la vitesse de refroidissement et des cycles de dissolution/précipitation précédents [1]). De plus, un phénomène d'hystérésis est observé entre la précipitation et la dissolution des hydrures dans les alliages de zirconium (différence de solubilité en dissolution et en précipitation [2]).
• La morphologie des hydrures. La taille et l'orientation des hydrures dans les alliages de zirconium dépend de la vitesse de refroidissement et de la contrainte. Sous l'effet d'un chargement mécanique les hydrures s'orientent perpendiculairement au sens de sollicitation, favorisant la propagation d'une fissure. De plus, l'hydrogène en solution solide induit une dilatation et la précipitation des hydrures induit une déformation de transformation de phase, ce qui modifie les champs mécaniques en pointe de fissure.

La DHC est notamment étudiée dans le cadre de l'entreposage à sec des gaines combustible nucléaire après passage en réacteur. Une première thèse réalisée entre 2020 et 2023 a permis de développer une procédure expérimentale permettant d'évaluer la ténacité en DHC de gaines en Zircaloy-4 détendu en propageant une fissure dans leur épaisseur (d'environ 0,6 mm, pour un diamètre de 9,5 mm). Les principaux résultats de cette thèse montrent que la valeur de ténacité en DHC ne dépend pas de la température entre 150 et 250 °C et qu'elle est deux fois plus faible que la ténacité sans DHC de cet alliage. D'autres paramètres d'intérêt restent à investiguer, comme la nuance de zirconium utilisée, le sens de propagation de la fissure (radial ou longitudinal), ou encore la dose d'irradiation.

Problématique :
La procédure expérimentale ainsi que sa modélisation par éléments finis développés pendant la thèse précédente permettent donc d'obtenir des valeurs de ténacité en DHC. Ces développements peuvent servir à investiguer plusieurs teneurs en hydrogène, différentes nuances de zirconium ou encore d'autres températures d'essais. Les résultats obtenus, ainsi que ceux disponibles dans la littérature mettent en évidence un effet de direction de propagation sur la ténacité en DHC [3,4]. Une procédure expérimentale permettant de propager une fissure en DHC dans l'axe des gaines va être développée, néanmoins la compréhension des mécanismes à l'échelle de la microstructure doit être investiguée afin de prédire le comportement en DHC des alliages de zirconium en fonction de leur microstructure (texture cristallographique et/ou morphologique, et taille des grains).

Directeur de Thèse 1 : Jacques Besson
Co-directeur de Thèse 2 : Lionel Gelebart (CEA)
Co-encadrant : Jean-Michel Scherer
Co-encadrants externe: Quentin Auzoux (CEA), Pierrick François (CEA)

ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :




Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):




Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Les objectifs de cette thèse sont donc, d'une part, d'appliquer la procédure expérimentale développée au cours de la thèse précédente et celle en cours de développement à un matériau de gainage plus moderne, et d'autre part, de développer une modélisation à l'échelle fine de la microstructure pouvant rendre compte des effets sur la DHC de la texture (cristallographique et morphologique), de la direction et du plan de propagation ainsi que de l'irradiation. Les enjeux scientifiques majeurs résident dans la caractérisation fine des mécanismes de diffusion de l'hydrogène, de précipitation des hydrures et d'endommagement à l'échelle de la microstructure des alliages de zirconium hydrurés.

* Références biblio :
[1] E. Lacroix, A.T. Motta, J.D. Almer, Experimental determination of zirconium hydride precipitation and dissolution in zirconium alloy, J. Nucl. Mater. 509 (2018) 162–167.
https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2018.06.038.
[2] M.P. Puls, The Effect of Hydrogen and Hydrides on the Integrity of Zirconium Alloy Components, Springer London, London, 2012. http://link.springer.com/10.1007/978-1-4471-4195-2.
[3] Y.S. Kim, S.S. Kim, S.C. Kwon, K.S. Im, Y.M. Cheong, Anisotropic threshold stress intensity factor, KIH and crack growth rate in delayed hydride cracking of Zr-2.5Nb pressure tubes, Metall. Mater. Trans. A 33 (2002) 919–925. https://doi.org/10.1007/s11661-002-1024-2.
[4] S.S. Kim, S.C. Kwon, Y. Suk Kim, The effect of texture variation on delayed hydride cracking behavior of Zr–2.5%Nb plate, J. Nucl. Mater. 273 (1999) 52–59. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00017-3.
[5] J.-D. Hong, M. Park, A.-M.A. Holston, J. Stjärnsäter, D. Kook, Threshold stress intensity factor of delayed hydride cracking in irradiated and unirradiated zircaloy-4 cladding, J. Nucl. Mater. 543 (2021) 152596.https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2020.152596.
[6] B. Rais, J. Garnier, E. Pons, B. Marini, J. Besson, Determination of the fracture toughness of a 9Cr ODS steel fuel cladding using the pin loading Tension test, Eng. Fract. Mech. 290 (2023) 109499. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109499.
[7] A.W. Colldeweih, J. Bertsch, Effect of temperature and hydrogen concentration on the threshold stress intensity factor of radial delayed hydride cracking in fuel cladding, J. Nucl. Mater. 565 (2022) 153737. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.153737.
[8] X.H. Guo, S.Q. Shi, Q.M. Zhang, X.Q. Ma, An elastoplastic phase-field model for the evolution of hydride precipitation in zirconium. Part I: Smooth specimen, J. Nucl. Mater. 378 (2008) 110–119. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.05.008.
[9] A. Jha, S. Sarkar, I.V. Singh, B.K. Mishra, R. Singh, A microstructure-based modeling of delayed hydride cracking in Zr-2.5Nb pressure tube material, Eng. Fract. Mech. 295 (2024) 109781. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109781.
[10] P.-C.A. Simon, C. Frank, L.-Q. Chen, M.R. Daymond, M.R. Tonks, A.T. Motta, Quantifying the effect of hydride microstructure on zirconium alloys embrittlement using image analysis, J. Nucl. Mater. 547 (2021) 152817. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2021.152817.

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