Soutenance de thèse de Yosvany SILVA SOLIS

Le divertor de type ITER est constitué de monoblocs en tungstène (W) refroidis par de l'eau circulant dans des tubes en alliage de cuivre (CuCrZr), avec un intercalaire en cuivre pur (Cu) entre le W et l'alliage CuCrZr. Les isotopes d'hydrogène (HIs) sont susceptibles de diffuser à travers les monoblocs et de s'accumuler à l'interface W/Cu, entraînant la formation et la stabilisation de défauts. Les phénomènes de ségrégation et de diffusion affecteront les propriétés mécaniques des monoblocs et peuvent poser des problèmes de sécurité. Il est donc essentiel de déterminer la quantité de combustible ségrégué à l'interface et perdu à travers le divertor. La solubilité et la diffusivité de l'hydrogène dans le W pur et le Cu sont déjà connues, mais doivent être établies à l'interface. Pour ce faire, nous avons construit un modèle théorique de l'interface W/Cu adapté aux calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Deux orientations différentes de l'interface ont été considérées : W(001)/Cu-fcc(001)R45° et W(001)/Cu-bcc(001), qui minimisent le désaccord entre les réseaux Cu et W. Après relaxation du système, les deux tendaient vers la même structure finale, W-bcc(001)/Cu-hcp(11¯20), adoptée comme modèle pour l'interface en raison de son bon accord avec les observations expérimentales. L'énergie de solution et les propriétés vibratoires de H ont été déterminées à l'interface, révélant la plus faible valeur d'énergie de solution au niveau de l'interface. Ces valeurs d'énergie de solution et les fréquences vibratoires de H à l'interface W/Cu ont été utilisées pour développer un ensemble canonique grand basé sur la théorie thermodynamique. Ce modèle a été utilisé pour déterminer la variation de la solubilité de H en fonction du potentiel chimique et de la température du réservoir H2 en conditions d'équilibre thermique. Ce modèle a montré que la solubilité de H à l'interface W/Cu était plus élevée que dans les réseaux W et Cu, ce qui indique une ségrégation des atomes de H à l'interface. Cependant, les valeurs de solubilité à l'interface W/Cu sont inférieures à celles dans un volume parfait de Cu-bcc, suggérant que la ségrégation des atomes de H pourrait ne pas se produire nécessairement à l'interface W/Cu mais plutôt dans le volume de Cu éloigné de l'interface. Une fois les sites interstitiels les plus stables identifiés à l'interface, les barrières d'activation pour la diffusion de H le long de ces sites ont été déterminées. La reconstruction du réseau Cu à l'interface a modifié les barrières d'activation de H, montrant deux chemins différents où les valeurs passent de 0,8 eV à 0,24 eV. Ces valeurs ont été utilisées pour développer un modèle cinétique 0D. Dans ce modèle, la solubilité de H hors des conditions d'équilibre thermique a été déterminée ainsi que le temps nécessaire pour atteindre l'état stationnaire. La solubilité de H obtenue pour le modèle cinétique, une fois l'état stationnaire atteint, a été comparée aux valeurs obtenues à partir du modèle thermodynamique, montrant un bon accord entre eux. Pour généraliser notre modèle cinétique et déterminer la quantité de H piégée dans le volume de Cu éloigné de l'interface, nous avons déterminé jusqu'à quelle profondeur la distorsion de Cu-hcp se propage dans le volume de Cu-fcc. Pour ce faire, nous avons utilisé la Dynamique Moléculaire Classique (CMD) et étudié la frontière entre deux structures de Cu-hcp/Cu-fcc. Nous avons observé la formation de défauts (lacunes, lignes de dislocations) à la frontière Cu-hcp/Cu-fcc pour toutes les températures, accompagnés de différentes limites de grains. Une propagation plus profonde de la structure Cu-fcc dans Cu-hcp se produit avec l'augmentation de la température. De plus, plus mince est la couche de Cu-hcp, plus grande est la quantité de défauts. Cela pourrait conduire à une augmentation de la rétention des HIs à l'interface W/Cu avec l'augmentation de la température.

The ITER-like divertor is built with tungsten (W) monoblocks cooled by water flowing in copper alloy (CuCrZr) tubes, with an interlayer of pure copper (Cu) between W and CuCrZr. Hydrogen isotopes (HIs) are expected to diffuse across the monoblocks and potentially accumulate at the W/Cu interface, leading to defect formation and stabilization. Both segregation and diffusion will impact the mechanical properties of the monoblocks and could pose safety concerns. Therefore, it is crucial to determine the amount of fuel segregated at the interface and lost through the divertor. Although the solubility and diffusivity of hydrogen in pure W and Cu are known, they need to be established at the interface. To achieve this, we developed a theoretical model of the W/Cu interface suitable for Density Functional Theory (DFT) calculations. We considered two different interfaces: W(001)/Cu-fcc(001)R45° and W(001)/Cu-bcc(001), which minimize the mismatch between the Cu and W lattices. After system relaxation, both interfaces converged to the same final structure, W-bcc(001)/Cu-hcp(11¯20), which was adopted as the interface model due to its good agreement with experimental observations. The solution energy and vibrational properties of H were determined at the interface, revealing the lowest solution energy at the interface plane. These solution energy values and vibrational frequencies of H at the W/Cu interface were used to develop a grand canonical ensemble based on thermodynamic theory. This model determined the variation of H solubility as a function of the chemical potential and temperature of the H2 reservoir under thermal equilibrium conditions. The model showed that H solubility at the W/Cu interface plane was higher than in the W and Cu lattices, indicating segregation of H atoms at the interface. However, the solubility values at the W/Cu interface plane are lower than in a perfect Cu-bcc bulk, suggesting that H atom segregation might occur not necessarily at the interface plane but in the Cu bulk away from the interface. After identifying the most stable interstitial sites at the interface, the activation barriers for H diffusion along these sites were determined. The Cu lattice reconstruction at the interface altered the H activation barriers, revealing two different paths with values ranging from 0.8 eV to 0.24 eV. These values were used to develop a 0-dimensional kinetic model. This model determined H solubility out of thermal equilibrium conditions and the time required to reach steady state. The H solubility obtained from the kinetic model, once steady state was reached, was compared with values from the thermodynamic model, showing good agreement. To generalize our kinetic model and determine the amount of H trapped in the Cu bulk far from the interface, we examined how deep the Cu-hcp distortion propagates into the Cu-fcc bulk. Using Classical Molecular Dynamics (CMD), we studied the boundary between Cu-hcp and Cu-fcc structures. We observed defect formation (vacancies, dislocation lines) at the Cu-hcp/Cu-fcc boundary at all temperatures, accompanied by various grain boundaries. The Cu-fcc structure's deeper propagation into Cu-hcp occurred with increasing temperature. Additionally, a thinner Cu-hcp layer resulted in more defects, potentially increasing HIs retention at the W/Cu interface with rising temperature.