Vieillissement du tritiure de palladium : caractérisation mécanique, état de l'hélium et modélisation

Ageing of palladium tritide : mechanical characterization, helium state and modelling

• Auteur / Autrice : Mathieu Segard
• Direction : Frank Montheillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Génie des Matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2010
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Valduc
• Jury : Président / Présidente : Eric Finot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Damamme, Stéphanie Thiebaut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Latroche, Roland Logé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bulles

Matériaux -- Détérioration

Hélium

Palladium -- Alliages

Mots clés libres

Tritiure de palladium

Vieillissement

Hélium-3

Bulles

Palladium tritide

Ageing

Helium-3

Bubbles

Résumé

Le palladium est couramment utilisé pour le stockage du tritium, isotope radioactif de l’hydrogène, car il forme un tritiure réversible, à basse pression d’équilibre. La décroissance du tritium en hélium-3 provoque un vieillissement du tritiure, caractérisé notamment par l’apparition de bulles d’hélium-3, qui est étudié ici. De précédents travaux de modélisation du vieillissement avaient abouti à la création de deux modèles traitant, d’une part, de la germination des bulles d’hélium-3 (utilisation d’un automate cellulaire) et, d’autre part, de la croissance des bulles (mécanique des milieux continus). Ces modèles étaient fonctionnels, mais leur utilisation était limitée par le manque de données expérimentales d’entrée et de recalage. Ce travail de thèse a donc consisté à acquérir les données expérimentales les plus pertinentes pour améliorer la modélisation du vieillissement du tritiure de palladium. La première partie de ce travail a consisté à estimer les propriétés mécaniques du tritiure de palladium (limite d’élasticité, contrainte maximale, loi de comportement…), déduites de celles de l’hydrure et du deutérure de palladium, mesurées à l’aide d’essais de traction in situ. En seconde partie, la caractérisation du vieillissement a été entreprise, focalisée sur des observations de bulles dans le tritiure de palladium par microscopie électronique en transmission, des mesures de pression à l’intérieur des bulles par résonance magnétique nucléaire et des mesures de gonflement macroscopique du matériau par pycnométrie. Ces travaux ont conduit à des avancées significatives quant à la compréhension du vieillissement et ont permis d’améliorer considérablement sa modélisation.

Palladium is commonly used for the storage of tritium (the hydrogen radioactive isotope), since it forms a low-equilibrium-pressure and reversible tritide. Tritium decay into helium-3 is responsible for the ageing of the tritide, leading to the apparition of helium-3 bubbles for instance. Both experimental and theoretical aspects of this phenomenon are studied here.Previous works on ageing modelling led to two main models, dealing with:- Helium-3 bubbles nucleation (using a cellular automaton),- Bubbles growth (using continuum mechanics).These models were quite efficient, but their use was limited by the lack of input data and fitting experimental parameters.To get through these limitations, this work has consisted in studying the most relevant experimental data to improve the modelling of the palladium tritide ageing.The first part of this work was focused on the assessment of the mechanical properties of the palladium tritide (yield strength, ultimate strength, mechanical behaviour…). They were deduced from the in situ tensile tests performed on palladium hydride and deuteride.In the second part, ageing characterization was undertaken, mainly focusing on:- Bubbles observations in palladium tritide using transmission electron microscopy,- Internal bubble pressure measurements using nuclear magnetic resonance,- Macroscopic swelling measurements using pycnometry.The present work has led to significant progress in ageing understanding and has brought very valuable improvements to the modelling of such a phenomenon.