Étude des effets d'irradiation et évolution des défauts dans les métaux nanostructurés par des techniques de simulation à l'échelle méso et atomistique

Study of radiation damage and defect evolution in nanostructured metals via atomistic and meso-scale simulation techniques

• Auteur / Autrice : Daniel Vizoso
• Direction : Gianguido Baldinozzi, Chaitanya Deo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Georgia institute of technology
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale INTERFACES : approches interdisciplinaires, fondements, applications et innovation
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de structures, propriétés et modélisation des solides (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Remi Dingreville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Capolungo, Céline Hin, Surya Kalidindi, Preet Singh
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Capolungo, Céline Hin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique moléculaire

Irradiation

Matériaux nanostructurés

Mots clés libres

Irradiation

Champ de phase

Dynamique moléculaire

Nanostructures

Molecular dynamics

Phase field

Nanostructures

Radiation

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'utiliser des techniques numériques pour explorer les mécanismes et les caractéristiques de la formation de défauts produits par l'irradiation, et ainsi expliquer comment ils contribuent à la tolérance accrue aux rayonnements des matériaux nanostructurés.Afin de comprendre les raisons de cette résilience, et pour prédire comment ces matériaux évolueront dans le temps lorsque soumis aux radiations, une caractérisation approfondie des défauts engendrés par ces rayonnements est nécessaire. Nous avons ainsi utilisé des techniques numériques pour étudier ces dommages sur toute la gamme d'échelles de longueur et de temps pendant lesquelles ils se développent, en mettant l'accent sur l'impact de la microstructure et de la configuration des défauts.Cette tâche a été abordée dans cette thèse en plusieurs étapes. Tout d'abord, nous avons commencé par un examen atomistique de l'impact que la configuration atomique locale peut avoir sur les propriétés des défauts radio-induits. Nous avons étudié la variation d'énergie de formation des lacunes en fonction de la distribution des éléments dans le binaire uranium-zirconium et l'influence des configurations des défauts sur leur énergies de formation et liaison dans le niobium pur. Ainsi, nous avons observé que l'arrangement atomique local et la configuration des défauts influencent les propriétés et la stabilité desdits défauts, et doivent être pris en compte lors du processus de caractérisation.Deuxièmement, nous avons étudié les mécanismes d'accumulation des dommages engendrés par l'irradiation dans le niobium et l'or nanoporeux. Il a été observé que de telles structures présentent une tolérance aux rayonnements, et nous avons examiné la dépendance de ce comportement sur l'échelle de longueur caractéristique de la structure nanoporeuse. Nous avons ensuite examiné comment les dommages accumulés modifient le comportement mécanique des structures irradiées. Ainsi, nous avons mis en évidence que les mécanismes d'accumulation des dommages variaient avec l'échelle de longueur caractéristique du système et que le comportement mécanique présentait une réponse dépendante de la dose.Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la technique de simulation de la dynamique moléculaire en implémentant et en validant le potentiel interatomique EGTB, récemment développé, dans le code de dynamique moléculaire LAMMPS. Avec ce potentiel, nous avons exploré une méthode alternative de simulation des dommages dus aux radiations basée sur la méthode d'approximation binaire des collisions.Enfin, nous proposons un modèle de champ de phase pour la ségrégation induite par le rayonnement. Ce modèle permet d'étudier la dégradation des propriétés d'un alliage binaire homogène suite à la démixtion induite par les rayonnements, ce qui peut avoir un impact considérable sur les propriétés mécaniques du matériau.

The ultimate intent of this dissertation is to use computational techniques to explore the atomistic mechanisms and characteristics of radiation damage formation, and how these properties and behaviors contribute to the radiation tolerance of nanostructured materials. In order to understand the mechanisms by which these materials exhibit radiation tolerance, as well as to be able to predict how these materials will evolve in time when exposed to a radiation environment, thorough characterization of the properties, formation behavior, and accumulation behavior of the defects the form as a result of radiation damage is necessary. To that end, we have used computational techniques to study radiation damage across the range of length- and time-scales within which it develops, with an emphasis on considering the impact that microstructure and defect configuration have on the formation and evolution of radiation damage.This task has been addressed in this dissertation in several stages. First, we began with an atomistic examination of the impact the local atomic configuration can have on the properties of radiation-induced defects. This was accomplished through a study of how the vacancy formation energy changes due to the arrangement of the elements within the uranium-zirconium alloy system, as well as a study of how the configuration of defects within a defect cluster impacted the formation and binding energies of those clusters in pure elemental niobium. Through these studies, we observed that both local atomic arrangement and defect configuration can drastically alter the properties and stability of said defects, and must be considered during the characterization process.Second, we performed a study of the mechanisms of radiation damage accumulation in nanoporous niobium and gold. Such structures have been observed to exhibit radiation tolerance, and in this study we examined the dependence of that behavior on the characteristic length-scale of the nanoporous structure. We then examined how the accumulated damage impacted the mechanical behavior of the irradiated structures. In these studies, we observed that damage accumulation mechanisms varied with the characteristic length-scale of the system, and that the mechanical behavior exhibited a dose-dependent response.Third, we focused on the simulation technique of molecular dynamics by implementing and validating the recently developed EGTB interatomic potential into the molecular dynamics code LAMMPS. With this potential, we then attempted to develop an alternative method of simulating radiation damage formation based on the binary collision approximation method.Finally, we provide an example of how atomistically-determined characteristics of radiation damage can be used by proposing a phase field model for radiation-induced segregation. The proposed model allows for the study of how material properties as well as radiation conditions impact the development of radiation-induced segregation, a degradation process in which the homogeneously mixed elements in an alloy begin to separate, which can drastically impact the mechanical properties of the material.