Soutenance de thèse de SUCHORSKI Jules-Elémir
Titre de thèse
Modélisation de la dislocation vis 1/2<110> dans UO2: structure de coeur, mobilité et glissement dévié.
Modeling of the 1/2<110> screw dislocation in UO2: core structure, mobility and cross-slip.
Résumé de la thèse
Le dioxyde d'uranium (UO2) est le combustible standard des réacteurs nucléaires à eau pressurisée.
Lors d'une situation accidentelle hypothétique, les pastilles de combustible peuvent atteindre des conditions de température et de contrainte dans lesquelles l'UO2 présente un comportement viscoplastique qui tend à accommoder les contraintes au sein des crayons combustible.
La compréhension de la plasticité de l'UO2 joue donc un rôle imporant dans le cadre de la sûreté nucléaire.
Dans ce contexte, la modélisation multi-échelle, qui va de la caractérisation des propriétés élémentaires des dislocations au développement de modèle de plasticité cristalline pour la simulation du polycristal, représente un outil puissant.
La déformation plastique des monocristaux d'UO2 est contrôlée par le glissement des dislocations dans les systèmes de glissement 1/2<110>{001}, 1/2<110>{110} et 1/2<110>{111}, les systèmes du mode 1/2<110>{001} étant les plus actifs.
Bien que la dislocation coin 1/2<110>{001} (le caractère lent) ait été considérablement étudiée, il existe moins de données pour les autres types de dislocation, et en particulier la dislocation vis 1/2<110>.
Pourtant, le glissement dévié de la dislocation vis a été récemment mis en avant comme une cause possible de l'anisotropie plastique de l'UO2 monocristallin.
Il est aussi établi qu'elle interagit fortement avec les boucles de dislocations prismatiques induites par l'irradiation, et pourrait donc jouer un rôle important dans le durcissement par irradiation du combustible UO2.
Dans ce travail de thèse, la structure de cœur, la mobilité et le glissement dévié de la dislocation vis 1/2<110> sont étudiés.
Des simulations de statique et de dynamique moléculaire permettent de caractériser la structure de coeur stable de la dislocation vis, et son évolution en fonction de la température.
Les résultats obtenus révèlent une transition de la structure de cœur, avec un changement du plan d'étalement préférentiel du cœur de la dislocation.
Ensuite, la mobilité de la dislocation vis est étudiée en dynamique moléculaire, et les mécanismes de glissement dans les différents plans sont identifiées en fonction de la température et de la contrainte appliquée.
Ces simulations mettent en évidence l'activation progressive du glissement dévié autour de la température de transition de structure de cœur, ainsi qu'une transition de système de glissement à haute température.
Les données obtenues ont permis d'ajuster des lois de mobilité, par la suite implémentées en dynamique des dislocations discrète.
Enfin, un modèle de glissement dévié, intégrant les résultats des simulations atomistiques sur l'évolution en température de la structure de cœur de la dislocation vis, est développé et implémenté dans le code de dynamique des dislocations discrète Numodis.
Ce modèle permettra de prendre en compte le glissement dévié dans des simulations à l'échelle mésoscopique de la déformation plastique de l'UO2.
Thesis resume
Uranium dioxide (UO2) is the standard fuel in nuclear pressurized water reactors.
During a power transient, as in the case of a hypothetical accident, the fuel pellets may reach temperature and stress conditions under which UO2 exhibits a viscoplastic behaviour, which plays a crucial role in accommodating the stresses in the fuel rods.
Hence, the understanding of the plastic deformation of UO2 is paramount in the context of nuclear safety.
To this end, multiscale modeling approaches, ranging from the atomic-scale characterization of dislocations to the development of crystal plasticity models for simulating polycrystalline representative volume elements, provide a powerful complement to experimental investigations.
The plastic deformation of UO2 single crystals is governed by dislocations in the 1/2<110>{001}, 1/2<110>{110} and 1/2<110>{111} slip systems, with the former being the most active.
Although the 1/2<110>{001} edge dislocation, known to be the rate-limiting character in 1/2<110>{001}, has been extensively studied, there remains a lack of information about other types of dislocation, and in particular about the 1/2<110> screw dislocation mobility and cross-slip.
Still, the cross-slip process of the screw dislocation was recently emphasized as a possible cause for the plastic anisotropy of monocrystalline UO2.
It is also known to strongly interact with prismatic dislocation loops, and may thus play an important role in the hardening of UO2 under irradiation.
In this work, we investigate the atomic-scale properties of the 1/2<110> screw dislocation, including its core structure, mobility and cross-slip processes.
Leveraging molecular statics and molecular dynamics simulations, the stable core structure of the screw dislocation is identified, and its temperature evolution is investigated.
The results reveal the occurrence of a core structure transition, characterized by a change in the preferential spreading plane of the screw dislocation core.
Then, the mobility of the screw dislocation is investigated using molecular dynamics simulations, and the glide mechanism in the different slip planes are examined under different temperature and stress conditions.
These simulations evidence the progressive activation of cross-slip around the core structure transition temperature, leading to a slip system transition.
The results obtained have been used to fit dislocation mobility laws, later implemented in discrete dislocation dynamics.
Finally, a cross-slip model, informed by atomistic data on the temperature evolution of the core structure, is developed and implemented in the discrete dislocation dynamics code textit{Numodis}, in order to account for this crucial phenomenon in mesoscale simulations of UO2 plastic deformation.