Développement de bases de données pour application au suivi des transformations de phases dans les gaines de combustible utilisées dans les Réacteurs à Eau Pressurisée

Site CEA Saclay

Projet de thèse : Développement de bases de données pour application au suivi des transformations de phases dans les gaines de combustible utilisées dans les Réacteurs à Eau Pressurisée

Direction de thèse : Jean-Marc Joubert1 (HDR)

Co-direction de thèse :  Caroline Toffolon-Masclet2 (HDR)

Laboratoires :

1 Chimie Métallurgique des Terres Rares, Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est, CNRS, Université Paris-Est, 2-8 rue H. Dunant, 94320 Thiais

2 CEA-Saclay, DEN/DMN/SRMA/LA2M, 91191 Gif-Sur-Yvette, France

Le CEA (SRMA), dans le cadre de son partenariat avec les industriels EDF et Framatome sur les alliages de zirconium, contribue activement au développement et à l’optimisation de nouvelles nuances d’alliages de zirconium : matériau de référence pour les assemblages combustibles des réacteurs à eau pressurisée. Ces alliages font l’objet d’études en conditions normales de service et accidentelles par le biais de travaux expérimentaux mais également par le développement d’outils de calculs prédictifs métallurgiques et thermo-mécaniques en support. Ainsi, une base de données thermodynamiques pour les systèmes base Zr, la Zircobase [1], a été développée au CEA avec l’approche CALPHAD depuis 1999. Cette méthode consiste à décrire les énergies de Gibbs de toutes les phases (liquides, solides, gazeuses) d’un système donné, à l’aide de fonctions dépendant de la température et de la composition. Les coefficients entrant dans ces expressions sont optimisés par une méthode d’ajustement aux moindres carrés pour reproduire l’ensemble des données expérimentales sur le diagramme de phases ainsi que les données thermodynamiques disponibles sur un système donné. Cette base de données thermodynamique permet d’effectuer des prédictions d’équilibres de phases intéressantes dans la mesure où elle est capable de prendre en compte la plupart des éléments d’addition des alliages industriels, ainsi que des éléments comme l’hydrogène et l’oxygène résultant de la corrosion normale et/ou accidentelle du matériau [1].

Cette base de données fait l’objet de développements continus, incluant l’amélioration des descriptions des différents systèmes, le choix de nouveaux modèles, et l’inclusion de nouveaux éléments dans la base. Ces développements ont été menés à travers quatre thèses effectuées en collaboration avec l’ICMPE du CNRS, à travers différents travaux expérimentaux et l’utilisation massive de calculs DFT [2]–[5].

L’outil actuel permet de prédire correctement les équilibres de phases dans les systèmes métallurgiques à base de zirconium ainsi que les évolutions microstructurales en fonction de la température, de la composition des alliages et d’éléments susceptibles d’apparaître au cours de la vie en réacteur des gaines de Zr : l’oxygène, lié à l’oxydation progressive des gaines et l’hydrogène, résultant de la dissociation des molécules d’eau à la surface du gainage.

Les alliages industriels récents développés par Framatome et actuellement présents en réacteur EDF  contiennent  les éléments niobium, fer, avec de l’étain (pour les tubes-guide) ou sans (pour le gainage). En outre, les gaines base zirconium revêtues de chrome constituent un nouveau concept de gainage, destiné à être introduit en réacteur à court terme. Ces évolutions nous amènent donc à travailler désormais sur la modélisation des systèmes H-O-Sn-Zr et Cr-H-O-Zr afin de mieux appréhender les transformations de phases dans ces gaines, les systèmes contenant les éléments Zr, Nb, Fe, O et H étant déjà en cours d’étude.

Ainsi, cette nouvelle thèse s’inscrit dans la continuité des deux précédents travaux de thèse et sera plus particulièrement consacrée à l’étude et à la modélisation de ces deux systèmes.  Une méthodologie similaire sera mise en œuvre avec des recalages expérimentaux ponctuels. Concernant le système Cr-H-O-Zr, les données expérimentales seront acquises dans le cadre d’un autre travail de thèse dédié à l’étude des températures de transformations de phases, des limites de solubilités, de la stabilisation/déstabilisation de certaines phases intermétalliques pour le développement d’alliages innovants base Zr dopés au chrome.

L’objectif de la thèse est donc de compléter la base de données existante en y ajoutant ces deux systèmes ce qui permettra :

  • D’acquérir des données manquantes sur les systèmes d’intérêt
  • de modéliser de nouveaux systèmes : H-O-Sn-Zr et Cr-H-O-Zr
  • de confronter les calculs aux résultats expérimentaux obtenus sur les nuances industrielles

La thèse s’effectuera sur le site du CEA Saclay ainsi qu’à l’ICMPE à Thiais.

Au cours de sa thèse, le candidat sera formé à la méthode CALPHAD. Compétence valorisable dans de nombreux grands groupes industriels tels que SAFRAN, EDF et Framatome, ainsi que dans nombre de domaines autres que le nucléaire tels que l’aéronautique…

Méthodes: modélisation de données expérimentales par la méthode Calphad (logiciel Thermo-Calc).

Connaissances requises: intérêt pour les diagrammes de phases, théorie, modélisation, cristallographie et/ou thermodynamique.

[1] N. Dupin, I. Ansara, C. Servant, C. Toffolon, C. Lemaignan, and J.-C. Brachet, “Thermodynamic database for zirconium alloys,” J. Nucl. Mater., vol. 275, no. 3, pp. 287–295, 1999.
[2] J. Jourdan, “Etude expérimentale et thermodynamique des systèmes erbium-oxygène-zirconium et gadolinium-oxygène-zirconium.,” Paris XII University, 2009.
[3] A. Mascaro, “Etude expérimentale et thermodynamique du système erbium-hydrogène-zirconium,” Paris-Est University, 2012.
[4] P. Lafaye, “Développement d’outils de modélisation thermodynamique pour la prédiction de l’état métallurgique d’alliages à base de zirconium,” Paris-Est University, 2017.
[5] A. Puaux, “Modélisation thermodynamique du système Cr-Fe-H-Nb-O-Sn-Zr,” Paris-Est University, 2020.

 

Pour postuler, envoyez votre CV et votre lettre de motivation par e-mail à Caroline.TOFFOLON@cea.fr