Analyse des mécanismes de glissement des dislocations dans l’UO2 à l’aide de la modélisation multi-échelles comparée à l’expérience - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2018

Analysis of dislocation gliding mechanisms in UO2 thanks to multi-scale modelling compared to the experience

Analyse des mécanismes de glissement des dislocations dans l’UO2 à l’aide de la modélisation multi-échelles comparée à l’expérience

Résumé

This thesis is part of the study of fuel elements of pressurized water reactors and, more specifically, focus on the understanding and modelling of the viscoplastic behavior of uranium dioxide (UO2) at polycrystalline scale. During the incidental operation of the reactor, the fuel undergoes a strong increase of temperature and thermal gradient between the center and the periphery of the pellet leading to viscoplastic strains due to dislocation movement mechanisms. First, a crystal plasticity model was developed in order to describe the viscoplastic anisotropy of the material considering the temperature and the loading rate. Finite element (FE) simulations on single crystals enabled to highlight that the three slip modes generally observed in UO2 are crucial to describe the anisotropic behavior of the material. Secondly, coefficients of the interaction matrix have been identified specifically for UO2 in order to improve the polycrystal modelling. Indeed, by calculating geometrically necessary dislocations (GNDs), which are responsible of the great increase of the stored dislocation density in polycrystals, the interactions between dislocations enable to simulate de grain size sensitivity and hardening of the fuel pellet. Finally, the model adapted for polycrystals, have been validated by comparing FE simulations with pellet compression tests and by comparing the simulated intra-granular behavior with EBSD measurements. Thanks to the latter comparison, it is possible to indirectly compare the strain heterogeneities in the grains.
Dans le cadre de l'étude des éléments combustibles des réacteurs à eau pressurisée, cette thèse s'inscrit dans la compréhension et la modélisation du comportement viscoplastique du dioxyde d'uranium (UO2) à l'échelle du polycristal. Lors de fonctionnement de type incidentel du réacteur, le combustible subit une forte élévation de la température avec un gradient thermique entre le centre et la périphérie de la pastille engendrant des déformations viscoplastiques contrôlées par des mécanismes liés aux mouvements des dislocations. Dans un premier temps, un modèle de plasticité cristalline a été développé de manière à décrire l’anisotropie viscoplastique du matériau en fonction de la température et de la vitesse de sollicitation. Des simulations par éléments finis (EF) sur monocristaux ont permis d’identifier que les trois modes de glissement généralement observés dans l'UO2 ont une importance capitale pour décrire le comportement anisotrope du matériau. Dans un second temps, les coefficients de la matrice d'interactions entre dislocations ont été déterminés spécifiquement pour l’UO2 afin d’améliorer la modélisation des polycristaux. En effet, en calculant par EF les dislocations géométriquement nécessaires (GNDs), qui sont responsables d’une forte augmentation de la densité de dislocations stockées dans les polycristaux, les interactions entre dislocations permettent de simuler l’effet de taille de grain et l’écrouissage des pastilles. Finalement, le modèle, adapté pour les polycristaux, a été validé par comparaison avec les essais expérimentaux sur pastille et par comparaison du comportement intragranulaire simulé avec des mesures EBSD. Grâce à cette dernière comparaison, il est possible de remonter indirectement aux hétérogénéités de déformation dans les grains.
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Dates et versions

tel-03032750 , version 1 (01-12-2020)

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  • HAL Id : tel-03032750 , version 1

Citer

Luc Portelette. Analyse des mécanismes de glissement des dislocations dans l’UO2 à l’aide de la modélisation multi-échelles comparée à l’expérience. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Aix Marseille Université (AMU), 2018. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03032750⟩
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