Modélisation atomistique de la fragilisation des gainages combustibles nucléaires par les hydrures : caractérisation de l'ordre chimique interstitiel des hydrures de zirconium à l'aide d'un modèle Ising effectif dérivé des liaisons fortes

​Paul Eyméoud a soutenu sa thèse le 17 décembre 2018 au Cinam, à Marseille.

Dans le cœur des réacteurs à eau pressurisée, les gainages combustibles, constitués d'un alliage de zirconium, sont fragilisés par hydruration. Afin de mieux comprendre et anticiper ce phénomène de dégradation de la première barrière de sûreté, il convient d'analyser les mécanismes de précipitation des hydrures de zirconium. La thèse s'inscrit dans ce contexte de sûreté nucléaire, en modélisant, à l'échelle atomique, les phénomènes d'ordre chimique hydrogène - lacune atomique, sur le sous-réseau interstitiel tétraédrique des hydrures de zirconium cubiques à faces centrées. Une telle démarche s'est déclinée en deux étapes : en premier lieu, le développement d'un modèle énergétique atomistique à la fois précis et peu coûteux numériquement, puis l'implémentation d'approches thermostatistiques de type Monte-Carlo à l'aide de ce modèle.

En prenant pour point de départ un Hamiltonien de Liaisons Fortes (TB), la construction du modèle énergétique a reposé sur la dérivation d'interactions multiatomiques entre atomes d'hydrogène, à l'aide de la méthode des perturbations généralisée (GPM) basée sur une représentation de l'état de désordre interstitiel dans l'Approximation du Potentiel Cohérent (CPA). La procédure a révélé une prépondérance des interactions de paires sur les interactions de multiplets (triplets, quadruplets), et le caractère négligeable de ces interactions au-delà des quatrièmes voisins hydrogène. Le développement multiatomique de l'énergie d'ordre a ainsi pu être réduit à un modèle énergétique de type Ising effectif dérivé des liaisons fortes (TBIM), basé sur les interactions de paires effectives entre atomes d'hydrogène premiers, seconds, troisièmes et quatrièmes voisins, avec une prédominance des interactions de troisième voisinage. Le TBIM a ensuite été validé, en vérifiant son aptitude à rendre compte de l'ordre chimique H - lacune atomique sur le sous-réseau interstitiel, en comparant les énergies de structures ordonnées d'une part reconstruites en TBIM, et d'autre part obtenues par des calculs directs d'énergie totale effectués soit en Liaisons Fortes, soit par des méthodes ab initio (DFT).

La démarche a notamment révélé la précision du TBIM quant à la reproduction des séquences énergétiques issues de la DFT, qui ont été par ailleurs interprétées via une analyse de symétries orbitalaires. Une étude de l'influence des contraintes mécaniques sur le TBIM a également été menée, via l'introduction de distorsions isotrope et axiale du réseau de Bravais. Enfin, nous avons introduit les effets de température par des simulations thermostatistiques Monte-Carlo dans l'ensemble canonique fondées sur le TBIM, en développant une méthode prenant en compte la variation des interactions effectives avec la concentration locale en hydrogène. Nous avons ainsi pu caractériser les différentes transitions ordre-désordre, et établir un diagramme de phase de l'ordre chimique interstitiel hydrogène - lacune atomique, sur le sous-réseau interstitiel tétraédrique des hydrures de zirconium cubique à faces centrées.