Adaptation de l'expérience de Delayed Hydride Crackin (DHC) aux matériaux irradiés H/F

Description de l'offre

Détail de l'offre

Informations générales

Entité de rattachement

Le CEA est un acteur majeur de la recherche, au service des citoyens, de l'économie et de l'Etat.

Il apporte des solutions concrètes à leurs besoins dans quatre domaines principaux : transition énergétique, transition numérique, technologies pour la médecine du futur, défense et sécurité sur un socle de recherche fondamentale. Le CEA s'engage depuis plus de 75 ans au service de la souveraineté scientifique, technologique et industrielle de la France et de l'Europe pour un présent et un avenir mieux maîtrisés et plus sûrs.

Implanté au cœur des territoires équipés de très grandes infrastructures de recherche, le CEA dispose d'un large éventail de partenaires académiques et industriels en France, en Europe et à l'international.

Les 20 000 collaboratrices et collaborateurs du CEA partagent trois valeurs fondamentales :

• La conscience des responsabilités
• La coopération
• La curiosité

Référence

2024-32666

Description du poste

Domaine

Matériaux, physique du solide

Contrat

Post-doctorat

Intitulé de l'offre

Adaptation de l'expérience de Delayed Hydride Crackin (DHC) aux matériaux irradiés H/F

Sujet de stage

Après leur utilisation dans les réacteurs nucléaires, les crayons combustibles gainés en alliage de zirconium doivent être entreposés. L'entreposage à sec est envisagé. Suivant les conditions associées, un phénomène mécano-chimique appelé fissuration différée par hydruration (DHC pour delayed hydride cracking) pourrait se manifester. Ce phénomène se déroule en trois étapes itératives : (i) la diffusion de l'hydrogène en solution solide vers une potentielle fissure préexistante sous l'effet du gradient de contrainte ; (ii) l'augmentation de la concentration d'hydrogène en pointe de fissure jusqu'à la limite de solubilité, provoquant la précipitation de cet hydrogène sous la forme d'hydrures et la croissance de ceux-ci ; (iii) la rupture de la zone fragilisée par les hydrures une fois que le facteur d'intensité des contraintes a atteint une valeur seuil de ténacité notée K_(I_DHC ). La répétition de ces trois étapes mène à la propagation fragile progressive de la fissure.

Durée du contrat (en mois)

12 à 18

Description de l'offre

L'objectif de cette étude est de « nucléariser » l'« expérience de DHC » développée dans le cadre de la thèse de Pierrick FRANCOIS (2020-2023), permettant de créer dans des conditions de laboratoire le phénomène de DHC sur des gaines de Zircaloy, afin de déterminer la ténacité de ce matériau en cas de DHC : .
Le terme « nucléariser » désigne le processus d'adaptation de l'expérience pour pouvoir tester des matériaux irradiés dans des enceintes dédiées (appelées cellules blindées), où les matériaux sont testés via des bras télémanipulateurs.
Le terme « expérience de DHC » regroupe plusieurs étapes indispensables, en amont et en aval de l'essai DHC en lui-même.
- Etape 1 – Qualification de la création d'un défaut de type entaille sur l'éprouvette en cellule blindée. Ce défaut est usiné en froid par électroérosion à fil avec un fil de 80 à 100 µm de diamètre qui n'est pas disponible en cellule blindée. Il faudra donc investiguer la création de défaut avec les moyens disponibles en cellule blindée (électroérosion avec un fil de 250 µm ou fraisage), ou proposer une solution alternative.
- Etape 2 – Création d'une fissure. On s'appuiera ici sur la méthodologie développée en froid
- Etape 3 – Qualification de l'essai de DHC en cellule blindée. La troisième étape constitue en l'essai de DHC lui-même : sur une machine de traction équipée d'un four, après un cycle thermique nécessaire à remettre en solution les hydrures, l'éprouvette est chargée à force constante. La propagation potentielle d'une fissure de DHC est détectée par une augmentation du déplacement plus importante que celle due au fluage ; le facteur d'intensité des contraintes imposé est alors plus important que le du matériau. Si après 24h, aucune fissure n'a été détectée, on considère alors que le chargement était inférieur au . La conception actuelle du montage ne permet pas la mise en place des éprouvettes à l'aide de télémanipulateurs. Un système doit donc être conçu afin de pouvoir réaliser cette étape avec ces appareils. Une autre solution à investiguer consiste à modifier le montage utilisé en froid.
- Etape 4 – Mesures des longueurs initiales de l'entaille et de la préfissure post mortem, ainsi que les longueurs caractéristiques de ce qu'il est advenu durant l'essai DHC : soit la longueur d'hydrure si l'éprouvette n'a pas cassé, soit la longueur de propagation de fissure. Dans le premier cas, il faut donc couper, enrober, polir, attaquer, et observer l'échantillon au microscope optique ou électronique à balayage (MEB) ; dans le deuxième cas, une fractographie MEB est nécessaire.
Etape 5 – Simulation numérique. Des simulations sur Cast3M devront être réalisés afin d'investiguer l'effet d'une géométrie différente au niveau de l'entaille sur les champs mécaniques et le facteur d'intensité des contraintes. De plus, un modèle éléments finis de la DHC a été développé et pourra être utilisé afin d'aider à l'interprétation des résultats expérimentaux.

Moyens / Méthodes / Logiciels

Laboratoire haute activité LECI, Cast3M (calculs éléments finis), Python

Profil recherché

Profil du candidat

Les protocoles décrits dans la thèse de Pierrick François devront donc être adaptés, si possible simplifiés, pour pouvoir être transposés en cellules blindées. Cela nécessitera des échanges approfondis avec les personnes en charge des essais, et l'utilisation des outils de simulation numérique développés dans le cadre de cette même thèse. Le développement de cette procédure en cellule blindée sera utilisé par le post-doctorant afin de qualifier le risque de DHC lors de l'entreposage à sec des assemblages combustible en quantifiant la ténacité en DHC après irradiation du gainage. Il permettra au post-doctorant de développer des compétences en mécanique non linéaire de la rupture, en modélisation du comportement des matériaux et de l'hydrogène et en simulation par éléments finis. Parallèlement, des savoir-faire expérimentaux seront développés, en demandant un haut niveau d'expertise sur la conception mécanique, et les caractérisations mécaniques et microstructurales.

Le.la candidat.e devra avoir suivi une formation orientée vers la mécanique des matériaux. Des appétences pour les applications pratiques requérant un sens physique pertinent, notamment en conception pour la science des matériaux, seraient appréciées. Des connaissances en simulation numérique par éléments finis et en programmation, plus particulièrement en Python, sont conseillées. Une maîtrise de la mécanique de la rupture, voire des connaissances sur les effets d'irradiation, seraient un plus. Le.la candidat.e sera amené.e à interagir avec les équipes de différents laboratoires et la cellule d'exploitation de l'INB, iel devra donc être porté.e naturellement vers les échanges, le travail en équipe et la communication. Le.la candidat.e devra être force de proposition et curieux.se de nature.

Ce post-doctorat permettra d'acquérir des compétences en développement d'essai mécanique, et des connaissances en modélisation du comportement des matériaux et de l'hydrogène, et en mécanique non linéaire de la rupture. Par ailleurs, il permettra d'acquérir une vision globale sur le fonctionnement de la R&D dans un centre d'excellence international, avec des applications industrielles concrètes.