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SUJET POURVU - Développement de méthodes et d'analyses pour l'étude de la ténacité sur petites éprouvettes : application aux matériaux constitutifs des structures de l'échangeur de chaleur sodium / gaz pour le prototype de réacteur de IVième génération ASTRID et la justification de fonctionnement à 60 ans

SUJET POURVU - Développement de méthodes et d'analyses pour l'étude de la ténacité sur petites éprouvettes : application aux matériaux constitutifs des structures de l'échangeur de chaleur sodium / gaz pour le prototype de réacteur de IVième génération ASTRID et la justification de fonctionnement à 60 ans

SUBJECT OF THESIS PROVIDED - Development of methods and analyzes for measurement of the fracture toughness on thin specimens: application to the materials of the sodium / gas heat exchanger structures for the 4th generation prototype reactor ASTRID and justification of operation at 60 years.

Proposition de thèse

Spécialité

Mécanique

Ecole doctorale

SMI - Sciences des Métiers de l'Ingénieur

Directeur de thèse

BESSON Jacques

Unité de recherche

Centre des Matériaux

ContactJacques BESSON
Date de validité

01/10/2018

Site Webhttp://www.mat.mines-paristech.fr/Recrutements/Theses/
Mots-clés

Éprouvettes de taille réduite, ténacité, réacteur nucléaire de IVième génération

Sub-size specimens, toughness, IVth generation nuclear reactor

Résumé

Pour garantir l'intégrité des structures, des essais (mécanique de la rupture) sont réalisés sur des éprouvettes pré-fissurées afin de mesurer la ténacité. En dépit de leur coût et de la difficulté de leur mise en œuvre, ces essais permettent de compléter les données obtenues à partir d'essais sur des éprouvettes entaillées (essai Charpy) et de fournir des données directement exploitables pour le dimensionnement. Pour obtenir ces données, il est nécessaire de réaliser ces essais sur des éprouvettes les plus grandes possibles pour garantir des conditions d'essais les plus proches possibles des celles de la structure en étant éventuellement conservatif.

Toutefois, il n'est pas toujours possible ou même désirable d'utiliser des échantillons épais (l'épaisseur du produit trop faible, hétérogénéité de la microstructure liée au processus de fabrication,...)

L'objectif de cette étude est de développer des méthodes expérimentales et les méthodes d'analyse adaptées pour mesurer la ténacité sur des éprouvettes de faible épaisseur. Cette méthodologie sera appliquée à deux matériaux ayant des mécanismes de rupture différents. Le lien entre microstructure et propriétés mécaniques seront à la base de la méthodologie développée.

In order to guarantee the integrity of structures, fracture mechanics tests on pre-cracked specimens are often used to measure the fracture toughness. Despite the cost and difficulty of carrying out these tests, these tests complete the conventional impact fracture tests done on notched specimens (Charpy test) by providing directly usable quantities for design.

To obtain these toughness measurements, it is often necessary to use specimens of the largest possible size in order to ensure mechanical conditions that are close to or more conservative than those of the structure.
Nevertheless, it is not always possible and even desirable to take thick specimens for several reasons (thickness of the product too low, heterogeneity of the microstructure inherited from the manufacturing process, etc.).

The purpose of this generic study is to develop experimental methods and analyzes for the measurement of toughness on thin specimens. This methodology will then be applied to two materials with different fracture mechanisms. The link between microstructure and mechanical properties will be the basis of methodological development.

Contexte

Le CEA est un acteur majeur du développement des réacteurs nucléaires de IVième génération au plan national et international. Fort d'un retour d'expérience très important (Phénix, SuperPhénix), le CEA a choisi de mettre en œuvre le concept de réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium pour la conception du prototype ASTRID. Ce réacteur de technologie innovante disposera d'un circuit intermédiaire à caloporteur sodium et d'un système d'échangeur de chaleur sodium / gaz. Cet échangeur est constitué de modules en acier inoxydable austénitique type 316L(N) avec des canaux à parois minces assurant l'échange entre le sodium primaire et le gaz caloporteur. La température de fonctionnement sera de l'ordre de 600°C dans la partie la plus chaude. Cet échangeur est inséré dans une Enceinte Sous Pression Nucléaire (ESPN) fonctionnant à 180 bars à une température comprise entre 400°C et 550°C. La durée de fonctionnement visée pour cette enceinte est de 60 ans. Compte de ses bonnes propriétés en fluage, un acier type 15CD9-10 (2,25Cr-1Mo) à haute résistance est envisagé pour la fabriquer.
L'arrêté ESPN impose de garantir que les alliages soient ductiles et tenaces durant l'ensemble de la durée de fonctionnement. A l'état de réception, ces deux alliages présentent de très bonnes propriétés en ténacité. A la température de service, la microstructure des aciers évolue et les propriétés mécaniques s'en trouvent modifiées. La vérification qu'une ténacité suffisante est obtenue durant toute la durée de fonctionnement est à la base de la démonstration d'intégrité en condition incidentelles ou accidentelles.
Du fait de la longue durée de vie et de la forte épaisseur des structures de l'industrie nucléaire, et afin de garantir l'intégrité des structures, la communauté effectue de nombreuses caractérisations sur de la mécanique de la rupture via la réalisation d'essais de ténacité sur des éprouvettes pré-fissurées. Malgré le coût et la difficulté de réalisation de ces essais, ceux-ci complètent les essais conventionnels de résilience en donnant des grandeurs directement utilisables pour le dimensionnement.
Pour obtenir ces mesures de ténacité du matériau, il est souvent nécessaire d'utiliser des éprouvettes de la plus grande dimension possible afin d'assurer des conditions de mécaniques proche ou de sévérité enveloppe de celle de la structure et aussi de garantir lors de l'essai les conditions de confinement plastique permettant de vérifier les conditions de validité de l'essai.
Néanmoins, il n'est pas toujours possible et même souhaitable de prélever des éprouvettes de grandes dimensions pour plusieurs raisons : i) coût de la matière, ii) quantité de matière disponible, iii) nécessité d'avoir un nombre suffisant d'essais pour avoir une bonne statistique, iv) épaisseur du produit trop faible, v) hétérogénéité de la microstructure héritée du processus de fabrication. La maitrise des essais de ténacité sur des éprouvettes de dimension réduite est donc un enjeu majeur pour la validation des matériaux des nouvelles filières.

Encadrement

Directeur de thèse : BESSON Jacques - Centre des Matériaux
Co-encadrant externe : GARNIER Jérôme - CEA Saclay
Co-encadrant externe : MARINI Bernard - CEA Saclay

Profil candidat

Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique.
Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum).
Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité.
Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche.
Projet professionnel cohérent.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• Une attestation de niveau d'anglais

Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture.
Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required)
Good analytical, synthesis, innovation and communication skills.
Qualities of adaptability and creativity.
Teaching skills.
Motivation for research activity.
Coherent professional project.

Applicants should supply the following :

- a detailed resume
- a covering letter explaining the applicantÂ's motivation for the position
- detailed exam results
- two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted to provide an appreciation of the candidate

to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

Objectif

L'objectif principal de la thèse est d'établir une méthodologie permettant la caractérisation de ténacité d'un matériau de faible épaisseur avant et après un vieillissement thermique.
Cette étude est de caractère générique et a donc comme objectif principal le développement et la mise œuvre de méthodes expérimentales et d'analyses pour la détermination de la ténacité sur des petites éprouvettes. Cette méthodologie sera ensuite appliquée à deux matériaux présentant des mécanismes de rupture différents, et visera à identifier les mécanismes de rupture à l'état neuf et vieilli. Deux matériaux d'intérêt pour le nucléaire ont été retenus : aciers 316L (N) et 15CD9-10. Ces matériaux seront approvisionnés sous forme de produits épais permettant de prélever à la fois des éprouvettes de grandes et de petites dimensions. Des vieillissements thermiques accélérés permettront de simuler les conditions en service jusqu'à des durées de fonctionnement de 60 ans.
Le lien entre microstructure et propriété mécanique sera la base du développement méthodologique. Cela nécessite, en premier lieu, la mise en œuvre de moyens de caractérisation métallurgique des microstructures et des mécanismes d'endommagement et de rupture comme les examens en microscopie électronique et l'analyse cristallographique (EBSD). Des simulations par la méthode des éléments finis seront également mises en œuvre pour appréhender les conditions mécaniques régnant dans les différentes géométries d'éprouvettes considérées. Ces simulations serviront à l'optimisation de la méthodologie sur la base des mécanismes identifiées.

Références

D. François, Essais de rupture, techniques de l'ingénieur -(1996)
C. Le Guyader, Mécanique de la rupture et endommagement d'un alliage d'aluminium 2219 T87 pour application aérospatiale (2015)
ASTM standard E1820 (2017)

Type financement

Contrat de recherche

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