Titre du projet de thèse - UMET

Campagne ALLOCATIONS PRESIDENT 2016 - Dossier de candidature
Université Lille 1 Sciences et Technologies
Merci de ne cocher qu'un seul axe :
 AXE 1 : Soutien aux projets interdisciplinaires
X AXE 2 : Soutien aux projets de recherche labellisés

 AXE 3 : Soutien aux projets de recherche émergents
 AXE 4 : Projets de recherche retenus au titre du CPER 2015-2020 et autres AAP Conseil Régional
 AXE 5: Soutien aux cotutelles de thèse
Titre du projet de thèse : Modélisation multi-échelles des effets d’irradiation dans les aciers: prise en
compte des effets élastiques
Directeur de thèse :
Alexandre Legris (Pr, ULille), Charlotte Becquart (Pr, ENSCL), Ludovic Thuinet (MCF, ENSCL)
Laboratoire d’accueil :UMET
Ecole doctorale de rattachement : SMRE
Secteur(s) de Recherche de Lille1 : Chimie et Matériaux
Co-financeur(s) : H2020-Projet SOTERIA
Organisme :
EUROPE
Etablissement d'inscription : U Lille1
*Une confirmation du cofinancement sera demandée. Celle-ci devra nous parvenir au plus tard le 19 février 2016. Pour
mémoire, la participation de Lille 1, pour chaque cofinancement et quel que soit le gestionnaire de l'allocation,
correspond à 50 % du montant de la rémunération plancher des doctorants contractuels, soit 50 % de 1 684.93 €
auxquels devront s'ajouter les charges patronales.
Pour les cofinancements de type privés (entreprises, EPIC, associations), les directeurs de thèses sont invités à
se rapprocher le plus rapidement possible du SAIC (Mr Thomas DUPUIT : [email protected]) afin de mettre
en place, en amont, les modalités d'accompagnement de la thèse et anticiper les questions relatives à ce type de
cofinancement (confidentialité, publications, PI, frais d'environnement éventuels...)
Le présent dossier de candidature doit être adressé pour le 11 janvier 2016 par courriel avec copie
aux ED concernées à l’adresse : DIRVED – Direction de la Recherche de la Valorisation et des Etudes
Doctorales 6 Service des Affaires Doctorales - Tél. +33(0)3 20 33 72 83 - [email protected]
DATE LIMITE DE RECEPTION DU FORMULAIRE A LA DIRVED : 9 janvier 2015 18H
Tout formulaire incomplet ou reçu après la date limite ne sera pas pris en considération
UN FORMULAIRE PAR SUJET
I/ LE PROJET DE THESE
1) Titre du projet de thèse :
Modélisation multi-échelles des effets d’irradiation dans les aciers: prise en compte des effets élastiques
2) Nom du Directeur de thèse : Alexandre Legris Pr
Date de l’obtention de l’Habilitation à Diriger des Recherches : 21/12/2001 ; USTL
Nombre de doctorats en préparation sous la direction du directeur de thèse : 3 en codirection
Adresse : UMET, Bât C6, Avenue Paul Langevin, Cité Scientifique, 59655 Villeneuve D’Ascq
Téléphone :
0320336383
Télécopie :
E-mail : [email protected]
Nom d’un co-encadrant ou co-directeur de thèse (le cas échéant) :
Charlotte Becquart (Pr, ENSCL), Ludovic Thuinet (MCF, ENSL)
Nom du laboratoire d’accueil du co-encadrant ou co-directeur de la thèse (si différent de celui du directeur de
thèse) :
E-mail du co-encadrant ou co-directeur de la thèse : [email protected], [email protected]
3) Ecole(s) doctorale(s) de rattachement :
SESAM - Sciences Economiques et Sociales, de l’Aménagement et du Management (ED73)
SHS - Sciences de l’Homme et de la Société (ED473)
SJPG - Sciences Juridiques, Politiques et de Gestion (ED74)
SMRE - Sciences de la Matière, du Rayonnement et de l’Environnement (ED104)
SPI - Sciences Pour l’Ingénieur (ED72)
Bio-santé Lille (ED446)
4) Résumé du projet de thèse (en 20 lignes maximum) :
Ce projet et de thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen SOTERIA (H2020) qui regroupe 24
partenaires autour de la compréhension et de la prédiction de la tenue sous irradiation des matériaux utilisés
dans les centrales nucléaires à eau pressurisée. Ce travail concerne le modélisation multi-échelles et
s’intéresse en particulier à déterminer de façon la plus précise possible la capacité d’absorption de défauts
ponctuels par des puits de défauts générant un champ élastique comme les dislocations et les boucles des
dislocations présentes au départ dans le matériau ou créées sous irradiation. Pour mener à bien cet objectif
on combinera calculs à l’échelle atomique pour déterminer les énergies d’interaction des défauts ponctuels
au voisinage du cœur des dislocations et une modélisation à l’échelle mesoscopique qui repose sur la
méthode des champs de phases qui a été développée au laboratoire ces huit dernières années. La
thématique et le contexte des recherches favorisera des collaborations en France ( CEA Saclay et EDF R&D
les Renardières) et à l’échelle européenne (en particulier avec KTH en Suède).
5) Mots clés (5 maximum)
Modélisation, Effets d’irradiation, Champs de Phases, Echelle atomique, Echelle mesoscopique
6) Argumentaire
Le projet a-t-il une dimension structurante, laquelle ?
Ce projet s’inscrit dans le cadre du WP2 du projet SOTERIA H2020 (Safe long term operation of light water reactors
based on improved understanding of radiation effects in nuclear structural materials, Call: NFRP-2014-2015, Topic:
NFRP-01-2014, Type of action: RIA, Proposal number: 661913. Participent à ce projet 24 établissements de recherche
Européens pour la période septembre 2014- septembre 2018.Le montant du financement accordé est de 40k€ qui
seront complétés par 5k€ sur fonds propres.
Dans le cadre de ce projet nous collaborerons plus particulièrement avec l’institut suédois KTH avec lequel des
collaborations existent. Elles seront amplifiées au cours de ce travail. Ainsi ce projet nous permettra d’entretenir notre
collaboration existante depuis une vingtaine d’années avec EDF R&D et d’explorer et conforter de nouveaux contacts à
l’échelle européenne.
En quoi le projet s’inscrit dans les priorités du cofinanceur ?
Ce projet a été financé par l’Europe (40 k€ pour l’Université de Lille 1, cf. point 6)
7) Avis motivé du directeur de thèse
La thématique de recherche est l’une des thématiques phares du laboratoire et de l’équipe métallurgie comme l’atteste
entre autres l’existence d’un laboratoire commun avec EDF (EM2VM), la participation à des projets ANR (deux en
cours) et à des projets européens (PERFECT, PERFORM60 pendant les 5 dernières années, SOTERIA depuis
septembre 2015) et comme cela a été souligné par le comité HCERES en 2014. Ce sujet nous permettra de tisser des
collaborations avec l’institut KTh qui possède une grande renommée en Suède.
Fait à
Villeneuve D’Ascq
le
10/01/2016
Signature du Directeur de Thèse
II/ LE LABORATOIRE D'ACCUEIL LABELLISE
Laboratoire ayant fait l’objet d’une évaluation par l’Agence d’Evaluation de la Recherche et de
l’Enseignement Supérieur
Nom du laboratoire d’accueil : Unité Matériaux Et Transformations, UMET, UMR 8207
Nom du Directeur du laboratoire : Alexandre Legris
Adresse : Bât C6, Cité Scientifique, Avenue Paul Langevin, 59655 Villeneuve D’Ascq Cedex
N° de téléphone :0320336383
N° de télécopie :
E-mail : [email protected]
Effectifs permanents du laboratoire : 107
Nombre de doctorants au sein du laboratoire : 65
- Axe, équipe ou unité concerné(e) au sein du laboratoire le cas échéant :
Nom du responsable de cette équipe, unité ou axe : Alexandre Legris/ Jean-Bernard Vogt
Effectifs permanents de l'équipe, unité ou axe :14
Nombre de doctorants dans l'équipe, unité ou axe :13
Comment s’inscrit le projet de thèse dans les priorités scientifiques du laboratoire ?
Avis et signature du responsable de l’équipe, unité ou axe (le cas échéant et si différent du directeur
de thèse) sur le projet de thèse :
Avis motivé sur le projet de thèse du Directeur du Laboratoire d’accueil :
Projet soutenu par l’équipe (classé 1er) et par le conseil scientifique de l’unité (classé deux pour les
financements président). S’inscrit pleinement au sein de l’une des thématiques phares et fédératrices du
laboratoire.
Le directeur du laboratoire d’accueil certifie l'exactitude des renseignements fournis ci-avant et
atteste avoir pris connaissance des éléments de cadrage de l’appel à candidatures.
Fait à
Villeneuve D’Ascq
, le 10/01/2016
Le Directeur du laboratoire d’accueil
DESCIPTIF DU PROJET DE THESE
Multiscale modeling of radiation effects in metals taking into account elastic effects
1- Le sujet de recherche et son contexte scientifique
The issues of the work pertain to the general field of mechanical properties of materials under
irradiation, which highly depend on the absorption/emission of point defects (PDs) (vacancies or selfinterstitial atoms (SIA)) by the microstructural defects (precipitates, dislocations, grain boundaries, etc.),
which act as PD sinks mainly. In particular PDs interact with various strain fields originating from internal
sources or applied stress. These long-range elastic interactions have an impact on the migration of PDs in the
material and then strongly modify the resulting sink efficiencies of the microstructural defects and the global
evolution of the microstructure. The quantification of these elastic interactions is complicated for several
reasons:
(i) Elastic properties of PDs in their equilibrium and a fortiori saddle point configurations are difficult to
determine. At the first order, it has been shown that the elastic interaction of one PD with an applied strain
field created by the surrounding microstructure can be described by a dipole tensor Pij. The isotropic and
deviatory parts of this tensor are respectively associated to the size and shape effects of the PD. This
interaction can be refined by taking into account second order terms which are described by the elastic
polarizability tensor. State-of- the-art ab initio calculations turn out to be the most relevant tool for this kind of
study.
(ii) The elastic interactions are by definition non local quantities which means that PDs interact with the entire
microstructure. Its knowledge can only be tracked by a mesoscale model and in practice, and it is very
difficult to do so by atomistic ones. For this purpose, phase-field (PF) models have been applied to predict
microstructure evolution under irradiation taking into account elasticity in presence of dislocation loops acting
as sinks. This approach is idoneous to address this type of problem since it can easily incorporate the
microelasticity theory associated to any dislocation network, and couple it to the diffusion of the migrating
species.
It follows from (i) and (ii) that a multiscale approach coupling PF and ab initio calculations should allow
taking into account the specific elastic properties of PDs and their interaction with the microstructure.
Concerning (ii), an original PF model dedicated to dislocation sink strength calculation has been
proposed in [1]. Among the numerous PF models devoted to irradiation in the literature this work was the first
attempt to quantitatively compare the sink strength calculated by a PF model with some benchmark cases for
which analytical solutions are available. The main conclusion of the work was that, without elasticity, the
model [1] gives results in good agreement with the Wiedersich's solution. However, further comparison
showed that, when taking into account elasticity, the Rauh and Simon solution underestimates the sink
efficiency and the elastic bias at dislocation densities which can be encountered in real irradiated materials. In
particular, this justifies resorting to a numerical phase field model for this type of calculation.
2- L’état du sujet dans le laboratoire et l’équipe d’accueil
UMET has a strong experience in Modelling radiation effects on nuclear materials. More than 100
publications on these topics have been written during these last 20 years. The mesoscale modeling will be
performed with the help of L. Thuinet and A. Legris, C. Becquart will be in charge to guide the work
performed at the atomic scale.
3-Le programme et l’échéancier de travail
The objective of this task is to adapt the PF methods to model microstructure evolution under
irradiation. The PF treats mass diffusion at the mesoscale via the Cahn-Hilliard (CH) equation [2]. This
equation has a similar form to the second Fick’s law. It is employed to simulate solute diffusion in all the
phases constituting the system under study. It rests on the hypothesis of a linear relation between solute flux
and the driving force for diffusion, derived from the total free energy of the system F. This free energy
appears as the sum of 2 terms, the bulk chemical free energy and the interfacial energy. It is also possible to
add an elastic energy contribution. This method is efficient to calculate the evolution of a multiphase system
during the growth and coarsening stages from a set of thermodynamic and kinetic data used as input
parameters.
In the case of irradiated materials, it is required to solve the CH equation by considering PDs in
addition to solute atoms. However, this equation implies mass conservation, whereas PDs are not submitted to
this hypothesis: since-vacancies and interstitials recombine themselves, irradiation creates new Frenkel pairs
(generation); sinks (dislocations, grain boundaries …) absorb or emit PDs. For these purposes it is added to
equation CH, K0 the creation flux of Frenkel pairs per unit time, Kiv the PD’s recombination term, and a local
absorption efficiency of point defect at the sink location. One of the main advantages of the PF simulations is
that they can naturally take into account the elastic effects associated to the microstructure [3]. It is also very
easy in the PF formalism to assume diffusion anisotropy of PDs. Although diffusion anisotropy is not
expected to be relevant in the case of cubic materials, close to extended defects this kind of behavior can be
observed.
As recently demonstrated in [1] to accurately evaluate the sink bias of dislocations loops it is
necessary to precisely describe the irradiation conditions (spatial generation of PD instead of imposing
concentration far from the sinks) and to take into account the elastic field generated by dislocation lines
whatever their topology. The correct description of the sinks bias and the sink efficiency is necessary to
i) correctly predict the swelling growth rate
ii) correctly evaluate the Radiation Induced Segregation of Ni or Si for instance at dislocation loops.
The objective of this task is to build up a phase field model able to tackle these problems. The time table for
the project can be decomposed as follows:
Year 1: Implementation of the RIS on an existing phase field model code
Year 2: Implementation of the influence of elastic field of defects migrations
Year 3: Study of multisink effects
Interactions with groups performing atomic-scale calculations will be foreseen
References
[1] H. Rouchette, L. Thuinet, A. Legris, A. Ambard, and C. Domain, Comp. Mat. Sci. 88C, 50 (2014).
[2] John W. Cahn and John E. Hilliard. Free Energy of a Nonuniform System. I. Interfacial Free Energy.
Journal of Chemical Physics, 28(2) :258-267, february 1958.
[3] A.G. Khachaturyan. Theory of Structural Transformations in Solids. Wiley, 1983.
The phase field is a versatile mesoscale modeling methodology that allows solving the diffusion
equation in a continuous medium in presence of microstructure elements that can capture or generate point
defect and that produce complex elastic fields (coherent, precipitates, dislocations, dislocations loops). It is
therefore perfectly fitted to accurately evaluate the sink strength of microstructure elements that develop
during irradiation.
4-Retombées scientifiques et économiques attendues et collaborations prévues.
As an output, sinks efficiencies, sink bias and kinetics of microstructure growth will be given. These
parameters should feed rate theory related models that allow exploring long time evolution. As an input,
atomic scale related parameters like the dipole or polarizabiliy tensors or the migration energies of defects
will be seek from collaborations with groups participating to the project (see for instance Marinica CEASaclay and/or P. Olsson KTH-Suède ).
5-Publications sur la thématique
1 – “ Atomic-scale ab initio study of the Zr-H system : I Bulk properties ”, C. Domain, R. Besson and A.
Legris, Acta Materialia.50, (2002), 3513.
2– “Atomic-scale ab-initio study of the Zr-H system: II interaction of H with plane defects and mechanical
properties”, C. Domain, R. Besson and A. Legris, Acta Materialia, 52, 1495, (2004).
3 – “ Ab initio atomic-scale modeling of iodine effects on hcp zirconium” A. Legris, C. Domain, Philos. Mag.
Vol 85, 589-595, (2005).
4 – “Ab initio atomic-scale determination of point-defect structure in hcp zirconium”, C. Domain, A. Legris:
Philos. Mag. Vol 85, 569-575, (2005).
5- “Identification and characterization of a new zirconium hydride”, Z. Zhao, J.-P. Morniroli, A. Legris, A.
Ambard, Y. Khin, L. Legras, M. Blat-Yrieix, Journal of Micorscopy, Vol 232 p :410-421, 2008
6- “Elastically driven morphology of coherent trigonal precipitates inside a close-packed hexagonal matrix”
L. Thuinet and A. Legris, Acta Materialia, Vol 58, p 2250-2261, 2010
7- "Phase-field modeling of precipitate evolution dynamics in elastically inhomogeneous low-symmetry
systems: Application to hydride precipitation in Zr", L. Thuinet, A. De backer, A. Legris, , Acta Materialia 60
pp. 5311-5321 (2012) [doi: 10.1016/j.actamat.2012.05.041]
8- "Mesoscale modeling of coherent zirconium hydride precipitation under an applied stress, Journal of
Nuclear Materials", L. Thuinet, A. Legris, L. Zhang, A. Ambard, 438 pp. 32-40 (2013) [doi:
10.1016/j.jnucmat.2013.02.034]
9- « Quantitative phase field model for dislocation sink strength calculations », H. Rouchette, L. Thuinet, A.
Legris, A. Ambard, C. Domain,
Computational Materials Science 88 pp. 50-60 (2014) [doi:
10.1016/j.commatsci.2014.02.011]
10- “Influence of shape anisotropy of self-interstitials on dislocation sink efficiencies in Zr: Multiscale
modeling”, Rouchette, H.; Thuinet, L.; Legris, A.; Domain, C; Ambard, A; Phys Rev B Volume: 90 Article
Number: 014104 (2014).
11-“Numerical evaluation of dislocation loop sink strengths: A phase-field approach” , H. Rouchette, L.
Thuinet, A. Legris, A. Ambard, C. Domain, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section
B: Beam Interactions with Materials and Atoms, (2015) [doi:10.1016/j.nimb.2015.01.006]