Modelling microstructural evolution under irradiation and swelling of reactor internal structures

par Miroslav Fokt

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Thomas Jourdan, Jean-Marc Joubert et de Gilles Adjanor.

Le président du jury était Frederico Garrido.

Le jury était composé de María Jose Caturla, Laurent Pizzagalli, Andrée De Backer.

Les rapporteurs étaient María Jose Caturla, Laurent Pizzagalli.

  • Titre traduit

    Modélisation de l'évolution microstructurale et du gonflement des structures internes des réacteurs nucléaires


  • Résumé

    Dans le cœur des réacteurs à eau pressurisée (REP), les structures internes en acier inoxydable austénitique (AIA) sont soumises à des conditions pouvant entraîner une dégradation de leurs propriétés. Les phénomènes de vieillissement dépendent de la fluence, du flux, de la température, de l'environnement, de l'état initial, mais aussi de la production d'hélium et d'autres facteurs, qui sont très variables dans les structures internes. L’étude des mécanismes modifiant la microstructure sous irradiation neutronique est complexe. Les données expérimentales sur le gonflement des AIA dans les REP sont limitées. En effet, les matériaux exposés à des doses élevées sont des matériaux très actifs, ce qui rend l'expertise de la microstructure très compliquée, coûteuse et limitée à des doses moyennes. La dégradation par gonflement dû aux cavités, couramment observée dans les réacteurs à neutrons rapides fonctionnant à des températures et flux plus élevés sans présence d'hélium, présente un intérêt particulier. Dans les REP, il est difficile de mesurer expérimentalement le gonflement, car les cavités souvent ont une taille correspondant à la limite de résolution classique des MET, soit environ 1 nm. Pour mieux comprendre l'évolution de la microstructure à des doses importantes, une approche de champ moyen telle que la dynamique des amas (DA) est couramment utilisée. L'une des faiblesses des modèles DA actuels est le traitement de l'hélium et des précipités de phase secondaires, tel les carbures. Pour aborder l'effet de l'hélium, un modèle à gap variable (MGV) est adapté et paramétré sur des données produites par dynamique moléculaire dans le nickel. On s'attend à ce que le comportement des bulles d'He dans le nickel soit similaire à celui des alliages CFC à base de Fe. Le MGV est ensuite implémenté dans le modèle "IVS" du code DA "CRESCENDO", puis utilisé pour analyser la cinétique de croissance des bulles d'He dans diverses conditions. Pour explorer l'effet des précipités secondaires sur le gonflement, nous étudions d'abord l'évolution des carbures accélérées par irradiation à l'aide du logiciel "Thermocalc". Ensuite, l'évolution obtenue des précipités est utilisée dans le modèle IVP de CRESCENDO, qui peut traiter à la fois les précipités cohérents qui agissent comme sites de recombinaison et les précipités incohérents qui peuvent agir comme sites de germination pour les cavités. L'analyse du modèle IVS a montré qu'il n'y a presque aucun effet du taux de production d'He jusqu'à 25 He appm/dpa entre 300 et 360°C et la courbe température-gonflement semble suivre la tendance attendue de "courbe en cloche". Les résultats du modèle IVP, considérant les précipités secondaires mais sans hélium, montrent que la présence de précipités incohérents qui agissent comme des sites de germination pour les cavités peut affecter le gonflement. Le pic de gonflement à 550°C est décalé à environ 420°C. De plus, cela entraîne une modification de l'amplitude de gonflement en fonction de l'énergie choisie pour la liaison de la lacune au précipité. Même si le modèle DA est capable de reproduire raisonnablement les cavités visibles, les boucles de dislocation sont plus petites et plus nombreuses par rapport aux valeurs observées expérimentalement. En général, les densités totales d'amas de défauts sont très élevées, et elles sont très probablement induites par le terme source - une entrée de simulation qui introduit des défauts créés dans la cascade à partir de neutrons incidents. La taille et la forme du terme source peuvent avoir un impact énorme sur l'évolution de la microstructure. Pour des prédictions plus précises, un calcul du terme source plus abouti et la mise en œuvre du mouvement 1D pour les boucles et leur interaction avec d'autres amas et puits seront nécessaires.


  • Résumé

    In the core of the pressurized water reactors (PWR), internal structures made of austenitic stainless steel (ASS) are subjected to harsh conditions potentially causing degradation of material properties. Ageing phenomena are functions of fluence, flux, operating temperature, environment, initial state, but also helium production and many others, which are highly variable from one point to another within the internal structures. Understanding mechanisms that change microstructure under neutron irradiation is a challenging problem. Experimental data on swelling in austenitic stainless steels in PWR are limited to certain operating conditions of components that can be examined, so essentially low to medium doses. Materials exposed to high doses are highly active materials, which makes microstructure expertise very complicated and very expensive. Of particular interest is the degradation process by void swelling, which is commonly seen in fast reactors operating at higher temperatures and higher fluxes without the presence of helium. In PWR, it is challenging to experimentally measure void swelling, as most of the voids are about the size that corresponds to the classical TEM resolution limit of around 1nm.For a better understanding of the microstructure evolution at arbitrary large doses, a mean-field approach such as cluster dynamics (CD) is commonly used. One of the weaknesses of current CD models is the treatment of helium and second-phase precipitates. To address the effect of helium, a variable-gap model (VGM) that was initially developed for body-centred cubic iron is modified and parametrized on data produced by interatomic potential calculations in nickel. It is expected that the behaviour of He bubbles in nickel is similar to Fe-based FCC alloys. The VGM is then implemented in the IVS model of CD code CRESCENDO and used to analyze the growth kinetics of clusters under various conditions. To explore the possible effect of the second phase precipitates on swelling, we first investigate the evolution of radiation accelerated carbides with commercial software and database - Thermocalc. Then, obtained evolution of second phase precipitates is used in the IVP model in CRESCENDO, which can treat both coherent precipitates that act as recombination sites and incoherent precipitates that may act as nucleation sites for voids.Analysis of the IVS model showed almost no effect on He production rate up to 25 He appm/dpa between 300 and 360°C and the swelling - temperature curve seemed to follow the expected bell-shaped curve trend. The results of the IVP model, considering second-phase precipitates without helium, show that the presence of incoherent precipitates that act as nucleation sites for voids can affect swelling, by shifting the swelling peak from around 550°C towards lower temperature at around 420°C, and by eventually modifying swelling amplitude based on the binding energy of vacancy to the precipitate. Even though the CD model is capable to reasonably reproduce visible cavities, visible dislocation loops are smaller and more numerous compared to experimentally observed values. In general, total densities of defect clusters are found to be very high, and they are most probably induced by the source term – a simulation input that introduces defects created in the cascade from incident neutrons. The size and shape of the source term can have a huge impact on microstructure evolution, and we expect that to have more accurate predictions, annealing of the source term and implementation of 1D motion for loops and their interaction with other clusters and sinks would be necessary.


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