DMN missions et compétences

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1 DMN missions et compétences Science prédictive des matériaux sous sollicitations (irradiation, contrainte, température, environnement ) Caractérisation microstructurale, physique et mécanique des matériaux irradiés et non irradiés Cascades de 8 kev dans NiAl à 0.5 et 9 picosecondes Ligne M Faciès de rupture Microstructure de dislocations (MET) Simulation test de tenacité Modélisation multi-échelle du comportement des matériaux Caractérisation de matériaux irradiés (ligne K)

2 Stratégie scientifique générale # Modélisation et Simulation numérique à toutes les échelles spatiales et temporelles: Outils Numériques # Validation expérimentale à toutes les échelles: Moyens expérimentaux (Plates-formes) d observation des matériaux

3 Les différentes échelles spatiales % Echelle atomique: de l atome à environ (fraction de nm) à la dizaine de nm % Echelle microscopique: monocristal (intérieur d un grain), de la dizaine de nm au μm % Echelle mésoscopique: quelques grains, du μm au mm % Echelle macroscopique: milieux continus, du millimètre à plusieurs mètres

4 Vers une approche multi-échelle du comportement mécanique des matériaux Homogeneisation Dynamique des Dislocations Discrètes Dynamique moléculaire Mésoscope Numérique Dislocations Agrégat Atomique Grain Agrégat polycristallin Approche locale Milieu Continu Lois de comportement macroscopiques Prop locales: contrainte de clivage, d amorçage et de propagation Comportement mécanique local>µm Comportement mécanique : relation microstructure -propriétés Diffusion et irradiation Dommage primaire (MIN) Atomes Calculs ab-initio Structures Énergies de formation; coefficients de diffusion; potentiels inter atomiques

5 Les outils dédiés à l étude du comportement des matériaux # # # # Acquisition de caractéristiques des matériaux % Moyens «classiques» de Caractérisation des Matériaux non irradiés (453 et 455) et irradiés (LECI PELECI) Microstructure (MO, MEB, MET, RX,µanalyse) Propriétés physiques (dilato, T transition, diffusivité..) Mécanique Etude d un comportement complexe : expériences analytiques % Moyens dédiés, parfois uniques en leur genre Fatigue thermique (CYTHIA, SPLASH, biaxée ) Gainage en APRP (EDGAR, DEZIROX) Simulation expérimentale des irradiations par particules chargées % Avec des électrons (DIAMET) % Avec des ions Van De Graaf Projet JANNUS (plate forme d irradiation aux ions) Simulation numérique % MIN: microscope interactif numérique : échelle atomique % DDD et Mésoscope numérique : échelle de l agrégat de grains % Identification de paramètres : mécanique des milieux continus

6 Ce qu il faut retenir du DMN # L excellence scientifique dans le domaine de la modélisation et la simulation multi-échelles des matériaux et la validation expérimentale # Un outil expérimental exceptionnel pour l étude des matériaux sous irradiation % Nouveau LECI % JANNUS

7 Ensemble Triple Faisceau à Saclay Accélérateur électrostatique 3 MV "Épiméthée" avec source à Résonance Électronique Cyclotron (ECR) : Accélérateur électrostatique 2,5 MV "YVETTE" (Existant à l'instn-saclay) avec source RF : H, D, He et N, Ne, Ar, Kr, Xe sur 1 ligne Tandem 2,25 MV avec source à pulvérisation H, Cl, I, Al, Ni (Existant au CSNSM Gif-sur-Yvette) Tandétron 2,25 MV 5m Irradiation triple faisceau Irradiation mono faisceau Analyse par faisceaux d'ions Yvette 2,5 MV Épiméthée 3 MV source ECR

8 Endommagement des matériaux soumis à l irradiation # Dommage balistique et évolution microstructurale associée Cascade simple Balistique s Approximation des collisions binaires Cascades multiples, Sous-cascades Trempe s Amas, migration des défauts Recuit Rapide Thermalisation 10-8 s Effets globaux Diffusion Microstructure durée de l rradiation Simulation Recuit Stochastique Monte Carlo Cinétique Dynamique Moléculaire Cinétique Chimique Homogène Monte Carlo Cinétique (Dynamique d Amas) Monte Carlo sur Evènements Champ Moyen Auto-Cohérent

9 DEN/Saclay/Département Dynamique moléculairedes Matériaux pour le Nucléaire Mécanismes de plasticité : apport de l échelle atomique SiO2 silice amorphe SiO2 Cristobalite

10 DEN/Saclay/Département Dynamique moléculairedes Matériaux pour le Nucléaire Simulation du glissement des dislocations coins en solution solide cfc : Ni-Al Al plan inf Al plan sup Ni atomes de coeur Core atomes de coeur & renouvellement de la vision de l interaction moyenne dislocations / solutés $ mouvement : succession de périodes d attente sur les obstacles et de vol $ ancrage collectif & mouvement! désépinglage d arc $ durcissement dynamique par cisaillement & nouveau mécanisme révélé & affinement de notre compréhension de l interaction dislocations / précipités (E. Rodary)

11 Comportement mécanique à l échelle du grain: DDD Ecrouissage, Fatigue, C. Robertson, x 10 x 5 mm 3 5 x 5 x 3 mm 3 Nano indentation acier inox 316 L fatigue thermique

12 Essai de fissuration axiale sur gaine combustible : détermination d un critère de rupture ICM Test # T13041 Von Mises s Stress field Equivalent Strain field

13 JANNUS : Jumelage d Accélérateurs Pour les Nano- sciences le Nucléaire et la Simulation LES OBJECTIFS : Regrouper les compétences et les moyens expérimentaux d'ile-de-france-sud pour : # La simulation de l'endommagement neutronique % Endommagement dans le régime de cascades % Synergies endommagement génération de produits de réactions nucléaires # La modification contrôlée des matériaux % Mécanismes de modification % Synthèse de nanomatériaux # L'enseignement et la formation # Rapprocher des expérimentateurs et des modélisateurs LES ACTEURS : # Service de Recherches de Métallurgie Physique CEA/DEN/DMN/SRMP # Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse CSNSM CNRS-IN2P3-UPSud # Institut National des Sciences et Techniques Nucléaires Laboratoire Van de Graaff CEA - INSTN LES PARTENAIRES: # Région Ile-de France : procédure SESAME # Département de l'essonne : procédure ASTRE # Euratom - Fusion

14 Les outils expérimentaux # Le MIN (Microscope Interactif Numérique) : Machine locale qui effectue des simulations par Dynamique Moléculaire ou Monte Carlo en analysant graphiquement les resultats au fil du calcul et offre la possibilité de modifier le système étudié pendant la simulation. Mis en service % Calculateur vectoriel NEC SX6 (4 proc 8 Gflops) avec unité de visualisation et liaison Gigabit Cascades de déplacements dans un alliage Cuivre fer 3 0 à 16 picosecondes (30 nm) déplacements des amas d intersticiels 16 pico- à 3 nano-secondes Migration des interstitiels

15 Plasticité polycristalline : dispersion du nombre de cycles à l amorçage en fatigue thermique τ Parcours de la fissure τ

16 Migration du dumbbell <110> Mécanisme de Johnson (1964) Excellent accord avec l expérience: HM=0.3 ev "Migration 3D CPU: 6x18procx2j (Nickel/Chrome) 16

17 σ11 Chaque couleur représente une orientation cristalline c est-à-dire «grain» de matériau

18 Déformation suivant l axe de traction Nécessité d une Simulation 3D

19 Taille du problème : ddl

20 Déformation suivant l axe de traction σ11

21 étude des mécanismes d interaction dislocation/défaut d irradiation (échelle nm) Molecular Dynamics show that Edge and Screw Dislocations behave very differently Screw dislocations Edge dislocations Absorb the loops as helical turn Are strongly pinned by the jogs (300MPa) Are reemitted in a new glide plane when they unpin Implementation of Interaction Mechanisms into the DDD code Shear the loops Are weakly pinned (120MPa) Drag the jogs

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