Modélisation atomistique de la précipitation des hydrures de zirconium : Méthodologie de developpement d'un potentiel en liaisons fortes

Atomistic modeling of zirconium hydride precipitation : methodology for deriving a tight-binding potential

• Auteur / Autrice : Alice Dufresne
• Direction : Guy Tréglia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Alexandre Legris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simona Ispas, Christophe Domain, Fabienne Ribeiro, Roland Hayn
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cyrille Barreteau, Bernard Legrand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure électronique

Hydrures

Zirconium

Mots clés libres

Liaisons fortes

Zirconium

Hydrures

Structure électronique

Potentiel interatomique

Diagramme de phases

Tight-Binding

Zirconium

Hydrides

Electronic structure

Interatomic potential

Phase diagram

Résumé

Le système zirconium-hydrogène est très étudié dans le cadre de la sûreté nucléaire car la précipitation d'hydrures entraîne la fragilisation des gainages, à base d'alliage de zirconium. Il s'agit de la première barrière de confinement des produits radioactifs : son intégrité doit être maintenue tout au long de la vie des assemblages combustible, en centrale y compris en cas d'accident et post-centrale (transport et entreposage). De nombreuses incertitudes demeurent quant aux cinétiques de précipitation des hydrures et à l'impact des contraintes sur leur précipitation. La modélisation à l'échelle atomique de ce système permettrait d'apporter des clarifications sur les mécanismes en jeu. Les méthodes traditionnelles de modélisation atomistique sont basées sur des approches thermostatistiques, dont la précision et la fiabilité dépendent du potentiel interatomique qui les alimente. Or il n'existe pas de potentiel rendant possible une étude rigoureuse du système Zr-H. Cette thèse a permis de développer cet outil manquant en utilisant l'approximation des liaisons fortes. Au-delà de ce nouveau potentiel, ce travail donne un guide détaillé des nombreuses étapes d'une dérivation de tels potentiels avec la prise en compte de l'hybridation spd, ajustés ici sur des calculs DFT. Ce guide est établi tant pour un métal de transition pur que dans la perspective d'un couplage métal-covalent (carbures, nitrures et siliciures métalliques).

The zirconium-hydrogen system is of nuclear safety interest, as the hydride precipitation leads to the cladding embrittlement, which is made of zirconium-based alloys. The cladding is the first safety barrier confining the radioactive products: its integrity shall be kept during the entire fuel-assemblies life, in reactor, including accidental situation, and post-operation (transport and storage). Many uncertainties remain regarding the hydrides precipitation kinectics and the local stress impact on their precipitation. The atomic scale modeling of this system would bring clarifications on the relevant mechanisms. The usual atomistic modeling methods are based on thermostatistic approaches, whose precision and reliability depend on the interatomic potential used. However, there was no potential allowing a rigorous study of the Zr-H system. The present work has indeed addressed this issue: a new tight-binding potential for zirconium hydrides modeling is now available. Moreover, this thesis provides a detailed manual for deriving such potentials accounting for spd hybridization, and fitted here on DFT results. This guidebook has be written in light of modeling a pure transition metal followed by a metal-covalent coupling (metallic carbides, nitrides and silicides).