Numerical simulations of hydrogen retention and damage induced by plasma exposure in multi-material components

Simulation numérique de l’endommagement induit par l’exposition d’un matériau métallique à un plasma

• Auteur / Autrice : Shihao Bian
• Direction : Yann Charles, Jonathan Mougenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 16/02/2024
• Etablissement(s) : Paris 13
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Monique Gasperini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marianne Richou, Xavier Bonnin, Tom Wauters
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gilbert Hénaff, Rafael Estevez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tokamaks

Plasticité

Éléments finis, Méthode des

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulation numérique

Éléments finis

Hydrogène

Numerical simulation

Finite element

Hydrogen

Résumé

L'objectif de ce travail est d'étudier numériquement la rétention et la perméation de l'hydrogène dans certains composants du tokamak ITER exposés à des plasmas. Pour cela, le logiciel par éléments finis Abaqus est utilisé, et couplé avec des procédures utilisateurs pré-existantes ou créées spécifiquement pour ce travail, permettant ainsi les couplages entre champ de température, champ mécaniques, interfaces multi-matériaux, diffusion et piégeage de l'hydrogène.Des études paramétriques ont été effectuées sur des composants du réacteur à fusion ITER, en particulier le diagnostic first wall (DFW) et les monoblocs du divertor, afin d'estimer la rétention de l'hydrogène dans ces composants ainsi que sa perméation vers le circuit de refroidissement sous des conditions extrêmes.Afin de prendre en compte l'endommagement induit par les conditions d'exposition, et en particulier la création de bulles dans le matériau, un modèle de dynamique d'amas de la littérature, dédié à la simulation de la diffusion et la création/dissociation de clusters de lacune, a été implémenté dans Abaqus et couplé au champ thermique. Un modèle d'endommagement ductile (Gurson-Tvergaard-Needleman) a enfin été considéré pour permettre la prise en compte des bulles d'hydrogène, créées à partir de clusters de lacune ; dans ce cadre, des résultats préliminaires sont présentés.

The aim of this work is to numerically study the retention and permeation of hydrogen in specific components of the ITER tokamak exposed to plasmas. For this objective, the Abaqus finite element software is used, coupled with pre-existing or created specifically for this work user subroutines, thus allowing couplings between thermal and mechanical fields, multi-material interfaces, diffusion and trapping of hydrogen.Parametric studies were carried out on the components of the ITER fusion reactor, especially the first wall diagnosis (DFW) and the diverter monoblocks, in order to estimate the retention of hydrogen in these components as well as its permeation towards the cooling circuit, under extreme conditions.In order to account for the damage induced by exposure conditions, and especially the creation of bubbles in the material, a cluster dynamics model from the literature, dedicated to the simulation of diffusion and creation/dissociation of clusters gap, was implemented in Abaqus and coupled to the thermal field. A ductile damage model (Gurson-Tvergaard-Needleman) was last considered to allow the introduction of hydrogen bubbles, created from clusters of vacancies; in this context, preliminary results are presented.