Avis de Soutenance

Monsieur Alan DURIF

SCIENCES, INGENIERIE & SANTE - Spécialité : MECANIQUE et INGENIERIE

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés

Modélisation de la durée de vie de composants face au plasma au sein de réacteurs à fusion thermonucléaire

Soutenance prévue le mercredi 04 Décembre 2019 à 10h00
Lieu :  CEA – IRFM, salle René-Gravier, Bat 506

Composition du jury :

Les réacteurs de fusion thermonucléaire proposent de confiner magnétiquement un plasma dans le but d’obtenir les conditions de pression et de température favorables à la réaction de fusion pour produire de l'électricité en «quasi-continu». Cependant, le confinement est imparfait et, en raison de la configuration magnétique, les pertes d’énergétiques sont dirigées vers les parois internes du réacteur, appelées composants à face de plasma (CFPs), et en particulier dans la partie inférieure de la machine appelée divertor. Pour ITER, ces flux de particules peuvent impliquer une température de surface des CFPs de l'ordre de 2000°C cycliquement maintenue pendant des temps allant de quelques millisecondes à quelques secondes. Pour résister à de telles sollicitations, les CFPs des divertors ITER et WEST sont activement refroidis. Ces composants sont constitués de blocs de tungstène pur utilisé comme matériau d’armure et assemblés sur un tube de refroidissement en CuCrZr (matériau de structure) dans lequel circule de l’eau. Ces CPFs doivent assurer l'intégrité mécanique des parois internes de la machine, l'extraction de la chaleur et doivent être compatibles avec les espèces chimiques en présence au sein du plasma pour ne pas compromettre son exploitation. Critique pour le fonctionnement du plasma et l’intégrité du réacteur, ces CFPs représentent l’une des principales pièces du réacteur. Ainsi, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées pour valider cette technologie avant son exploitation en l’environnement tokamak. Bien que cette technologie réponde aux spécifications ITER, les composants s’endommagent au cours des cycles thermiques. Des fissures apparaissent dans le bloc de tungstène après quelques dizaines (voire quelques centaines) de cycles thermiques à 20 MW/m². Cette fissure se propage de la surface exposée aux flux vers le tube de refroidissement. L’apparition de cette fissure n’affecte pas immédiatement la capacité du composant à extraire la chaleur. Néanmoins, cela entraîne des problèmes d’intégrité mécanique des parois internes de la machine et pourrait limiter l’exploitation du plasma. Ainsi, afin d'optimiser leur usage en environnement tokamak, il est nécessaire d'étudier le processus d'endommagement de ces composants et d'estimer leur durée de vie en fonction des chargements thermiques attendus. Dans la littérature, plusieurs modèles numériques ont été développés et ont permis d'identifier les principaux phénomènes impliqués dans le processus d'endommagement des composants. Pour améliorer la prédiction des outils numériques existants, cette thèse a pour objectif de développer un modèle numérique capable de prendre en compte la recristallisation du tungstène; phénomène mentionné dans la littérature comme jouant un rôle important sur la durée de vie des composants. Le modèle numérique final développé (RXMAT) est intégré au code éléments finis ANSYS. Ce nouvel outil numérique est alimenté par les cinétiques de recristallisation du tungstène étudiées jusqu'à 1800°C et par les lois de comportement élasto-viscoplastique du matériau identifiées à partir d’essais expérimentaux réalisés de 500°C à 1150°C et à plusieurs vitesses de déformation. Pour la première fois, il est possible de lier numériquement l'évolution de la fraction recristallisée du tungstène à un champ de contraintes et de déformations mécaniques. En comparant les résultats obtenus avec des études de la littérature, on montre qu'en utilisant RXMAT des déformations plastiques équivalentes 10 fois supérieures sont estimées. Ces premiers résultats laissent envisager de nombreuses applications. Celles-ci permettraient par exemple de mieux comprendre l'influence de la géométrie, des propriétés de convection et des cinétiques de recristallisation sur l'accumulation de la déformation plastique équivalente au sein du composant. RXMAT pourrait également être utilisée pour étudier le processus d'endommagement du composant exposé à un flux thermique non homogène, représentatif de l'environnement du tokamak.