Construction d'un modèle de mécanique des champs de dislocations appliqué au comportement viscoplastique des polycristaux de dioxyde d'uranium

Construction of a model of field dislocation mechanics applied to the viscoplastic behavior of uranium dioxide polycrystals

• Auteur / Autrice : Hakima Bouizem
• Direction : Jean-Marie Gatt, Frédéric Lebon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique des solides
• Date : Soutenance le 16/02/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMA, Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (UMR 7031 ; CNRS, Ecole Centrale de Marseille, Aix-en-Provence) - Laboratoire des combustibles uranium (Cadarache, Bouches-du-Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Salima Bouvier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nabila Maloufi, Vincent Taupin, Etienne Castelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Fivel, Samuel Forest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fourier, Transformations de

Dioxyde d'uranium

Polycristaux

Dislocations dans les semiconducteurs

Mécanique

Mots clés libres

Dislocations géométriquement nécessaires

Homogénéisation

Mécanique des champs de dislocations

Transformée de Fourier rapide

Sous-grains

Dioxyde d'uranium

Geometrically necessary dislocations (GNDs)

Homogenisation

Field dislocation mechanics (FDM)

Fast Fourier transform (FFT)

Sub-grains

Uranium dioxide

Résumé

Le dioxyde d’uranium (UO2) polycristallin, formé en pastilles, est utilisé comme combustible nucléaire dans les réacteurs à eau pressurisée (REP). À haute température, son comportement viscoplastique est régi par le mouvement des dislocations. Pour modéliser ce comportement à l’échelle de quelques grains, les modèles de plasticité cristalline supposent que les dislocations sont distribuées de manière équilibrée dans le matériau. Ces populations de dislocations, distribuées de manière équilibrée, sont appelées SSDs (statistically stored dislocations). Des observations sur des pastilles déformées montrent que lors de la déformation, les dislocations peuvent s’agglomérer sous forme de murs, divisant parfois le grain en sous-grains. Ces dislocations, responsables de la déformation du réseau, sont des dislocations en excès, qui ne sont plus distribuées de manière équilibrée. Elles sont dites géométriquement nécessaires (geometrically necessary dislocations ou GNDs). Les modèles standard de plasticité cristalline ne les prennent pas en compte. Pour les modéliser, il faut recourir à la mécanique des champs de dislocations (Field Dislocation Mechanics ou FDM), qui ajoute des équations de transport pour assurer la circulation de ces dislocations à l’échelle des grains. À cette fin, nous avons construit un modèle de mécanique des champs de dislocations (FDM) par homogénéisation. Dans un premier temps, chaque dislocation est décrite à l’échelle microscopique par son tenseur de Nye, associé à un champ de déformation plastique. Les équations fondamentales concernant le mouvement des dislocations et la plasticité associée sont développées. Les équations microscopiques sont ensuite ...

Polycrystalline uranium dioxide (UO2), formed into pellets, is used as nuclear fuel in pressurized water reactors (PWRs). At high temperature, its viscoplastic behaviour is governed by the dislocation flow. Traditionally, the dislocations that generate viscoplastic deformations are referred to as statistically stored dislocations (SSDs). On the other hand, experimental observations performed on deformed pellets show a development of sub-grains. The formed sub-grains are induced by lattice rotation, and are associated to the presence of geometrically necessary dislocations (GNDs). Thus, to model a viscoplastic behavior of UO2 polycrystals, we introduce a field dislocation mechanics (FDM) theory, which allows us to characterize the plastic flow of both populations of dislocations : SSDs and GNDs. For this purpose, we have built a model of FDM. First, we describe the dislocations at the microscopic scale. Each dislocation is described by the Nye tensor, associated with the plastic deformation. Fundamental equations of plasticity, through dislocation motion, are developed. At this scale, a new formulation of the dislocation transport equation has been developed. Then, the microscopic equations are homogenized on a large scale. By this homogenization, the densities of SSDs and GNDs are outlined, and the classical laws of crystal plasticity (Orowan’s law, etc.), adapted for both populations, are obtained, allowing us to construct a model of FDM. In this work we develop balance equations that describe how SSDs are transformed into GNDs, and vice versa, according to dislocations movement. The built model has been applied to simulate the compression of polycrystalline ...