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sujet de thèse : modélisation du dommage primaire à l'évolution de la microstructure sous irradiation aux ions et neutrons (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR8207-CHABEC-002
Lieu de travail : VILLENEUVE D ASCQ
Date de publication : jeudi 18 juillet 2019
Nom du responsable scientifique : La thèse sera encadrée par Charlotte Becquart, Professeur à l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille, qui appartient au laboratoire UMET (Unité Matériaux et Transformations) situé à Villeneuve d'Ascq et Christophe Domain, ingénieur chercheur à EDF R&D à Moret sur Loing
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La prédiction des propriétés macroscopiques des matériaux nécessite souvent un certain nombre de données de l'échelle atomique. Dans le contexte des matériaux pour réacteurs nucléaires, ces données sont entre autre le dommage primaire, c'est-à-dire l'ensemble des défauts créés lors de l'interaction d'une particule énergétique telle qu'un neutron ou un ion avec les atomes du matériau. La particule énergétique va interagir avec les électrons et les noyaux des atomes composant la cible. Cette interaction dépend de la masse, de la charge et de l'énergie de la particule incidente ainsi que des caractéristiques de la cible. Durant cet événement, le noyau touché peut transmuter : il y aura, dans ce cas, création d'un nouvel élément, il reçoit également une certaine quantité d'énergie cinétique. Si celle-ci est suffisante pour qu'il quitte son site atomique, il entrera en collision avec les atomes de son voisinage. Ceux-ci peuvent à leur tour acquérir suffisamment d'énergie cinétique pour produire de nouvelles collisions. Ce phénomène se produisant de proche en proche (le phénomène à l'échelle atomique est comparable aux chocs entre des boules de billard), déclenche, ainsi, une avalanche de déplacements atomiques appelée « cascade de déplacements ou de collisions » voir par exemple https://en.wikipedia.org/wiki/Collision_cascade. La durée et la taille de la cascade, et par conséquent le nombre de défauts produits, dépendent essentiellement des caractéristiques du premier atome déplacé, couramment appelé Primary Knock-on Atom (PKA) et de la structure du métal irradié. Les mécanismes élémentaires qui sont à l'origine du dommage d'irradiation ne peuvent être systématiquement observés par des techniques expérimentales en raison de leur très courte durée de vie (quelques picosecondes), et de leur faible étendue spatiale (entre quelques angströms et quelques centaines d'angströms). Une meilleure compréhension du dommage d'irradiation implique donc le développement conjoint de techniques de modélisation et expérimentales de caractérisation de la microstructure.

Cette thèse s'inscrit dans le développement des techniques de modélisation et plus particulièrement sur une meilleure description du dommage primaire et de son évolution. Pour se faire, il faut développer des potentiels interatomiques représentatifs des matériaux étudiés. Si ces potentiels sont en général assez bons pour représenter le matériau à l'équilibre, et que l'on sait également représenter les interactions à très courte distance en cas de compression extrême à l'aide de modèles de Coulomb et de modèles de Coulomb écrantés, il n'existe pas de méthodologie encore établie sur l'extension de ces potentiels pour les distances intermédiaires, donc pour faire le lien entre compression extrême et équilibre alors que cette partie intervient lors des cascades de déplacements et influe beaucoup sur la formation de défauts (leurs nombres et leurs distributions). Il est donc important d'établir une méthode de construction de cette partie intermédiaire pour une modélisation fiable du dommage primaire. Cela constitue le premier volet de la thèse. Pour ce faire le doctorant s'appuiera d'une part sur des résultats obtenus au laboratoire ces dernières années sur la caractérisation de différentes propriétés des potentiels et la corrélation entre ces propriétés et le dommage obtenu. D'autre part, il utilisera des résultats de calculs dits « ab initio ».

Dans un deuxième temps, des cascades de déplacements seront simulées en dynamique moléculaire pour obtenir « le terme source » permettant de modéliser l'évolution du dommage primaire créé par neutrons mais également par ions en des défauts de taille plus grande qu'il sera alors possible de comparer aux résultats expérimentaux. Pour cela les distributions des PKA produits par ions et neutrons seront calculés avec les logiciels SRIM et SPECTER, et l'évolution du dommage primaire modélisé par notre code de Monte Carlo cinétique LAKIMOCA. Pour obtenir des résultats représentatifs incluant les évènements rares, un nombre important de simulations devra être analysé, ce qui nécessitera de mettre en œuvre des méthodes de traitement de grand volume de données (statistiques et big data), avec si nécessaire l'utilisation des outils de machine learning.
Les matériaux visés seront le fer pour assoir la méthode, car il existe de nombreux potentiels différents pour ce métal qui a beaucoup été étudié, puis le Ni et à plus longue échéance le NiCr considéré comme matériau simplifié mais représentatif des matériaux austénitiques utilisés en réacteurs.

Contexte de travail

Contexte de ce travail :
Ce travail s'inscrit d'une part dans le cadre d'un projet structurant Ions/neutrons conduit au sein d'un programme national incluant le CNRS et les partenaires du nucléaire en France (CEA, EDF, FRAMATOME ….) visant à comparer l'effet des irradiations aux ions et avec des neutrons dans les matériaux mais également dans le cadre de projets européens tels que SOTERIA (Safe long term operation of light water reactors through the improved understanding of radiation effects ; http://www.soteria-project.eu/), sa suite et les programmes d'eurofusion.

En parallèle à ce travail de modélisation, et dans le cadre du projet structurant Ions/neutrons, des études expérimentales sont prévues, basées sur l'utilisation de la spectroscopie d'annihilation de positons (PAS) et des recuits de résistivité (RR) pour sonder l'endommagement dans des métaux irradiés avec des ions. Dans les 2 ans qui viennent l'implémentation du dispositif de recuit de résistivité (RR) au laboratoire CEMHTI à Orléans sera finalisée. Des mesures seront réalisées sur le fer dans une première étape pour comparer les résultats obtenus avec des études publiées et qualifier le dispositif. Puis afin de se rapprocher des matériaux austénitiques commerciaux utilisés dans les réacteurs (316 par exemple) l'endommagement induit dans des métaux de structure CFC comme le Ni et NiCr sera caractérisé grâce aux deux techniques complémentaires RR et PAS.
La comparaison des résultats des simulations avec ces deux types de méthodes expérimentales de caractérisations des microstructures, se fera en collaboration avec le Royal Institute of Technology (KTH) à Stockholm où une thèse sur la modélisation du signal de positons et de la résistivité des défauts ponctuels et de leurs amas est en cours. Les interactions entre les deux thèses seront intensifiées par des échanges : chacun des étudiants fera un ou plusieurs séjours dans le laboratoire de l'autre.

Encadrement et lieu de la thèse
L'étudiant intégrera l'équipe métallurgie de l'UMET (umet.univ-lille1.fr) laboratoire situé à Villeneuve d'Ascq, à côté de Lille, dans le nord. L'UMET est composé d'environ 80 enseignants chercheurs et chercheurs CNRS, d'une quarantaine de personnels administratifs et de soutien à la recherche, d'une soixantaine d'étudiants en thèse, et d'une quinzaine de chercheurs contractuels et professeurs émérites. L'UMET développe une recherche centrée sur la science des matériaux dans des champs d'applications diversifiés pouvant viser une application directe industrielle ou la compréhension de processus élémentaires. L'équipe métallurgie travaille en collaboration avec EDF depuis plus de 20 ans et participe à de nombreux projets européens relatifs à la modélisation du dommage d'irradiation.

La thèse sera encadrée par Charlotte Becquart, professeur à l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Lille, qui appartient au laboratoire UMET (Unité Matériaux et Transformations) situé à Villeneuve d'Ascq et Christophe Domain, ingénieur chercheur à EDF R&D à Moret sur Loing, avec des interactions avec Marie France Barthe (CEMHTI, Orléans), Pär Olsson (KTH, Suède) et Gilles Adjanor (EDF R&D).

Charlotte Becquart et Christophe Domain travaillent depuis plus de 20 ans sur la modélisation du dommage d'irradiation aux échelles atomiques et mésoscopiques. Ils utilisent et développent des moyens de simulation pour l'étude à l'échelle atomique de phénomènes de déformation, de changements de phases et d'endommagement par irradiation etc. Les techniques mises en application sont la Dynamique Moléculaire (DM), les méthodes de Monte Carlo (MC) et des méthodes de calcul de structures électroniques utilisant les premiers principes (méthodes « ab initio »).

Publications représentatives du C. Becquart et C. Domain concernant le sujet de la thèse :

“Influence of the interatomic potentials on Molecular Dynamics simulations of displacement cascades”, C.S. Becquart, C. Domain, A. Legris & J.C. van Duysen, Jour. Nucl. Mater 280 (2000) 73.
“Ab initio threshold displacement energies in iron”, P. Olsson, C.S. Becquart & C. Domain, Mater. Res. Lett. 4 (2016) 219
“An empirical potential for simulating vacancy clusters in tungsten” D. R. Mason, D. Nguyen-Manh & C. S. Becquart, Jour. Phys. Cond. Matter. 50 (2017) 505501.

Informations complémentaires

Profil recherché
Ce sujet, interdisciplinaire, s'adresse aux étudiants (es) motivé€s par la simulation numérique des matériaux (échelle atomique et mésoscopique). Le/la candidat€ devra être titulaire d'un diplôme d'ingénieur et/ou d'un master.
Le poste nécessite de solides connaissances en science des matériaux et cristallographie, de bonnes aptitudes de communication orale et écrite (en anglais a minima) pour présenter aux congrès et rédiger des articles dans des revues scientifiques. Nous recherchons un/une jeune chercheur(se) qui saura s'impliquer dans son projet, curieux (se), ayant une certaine autonomie et une forte motivation pour développer des compétences en modélisation dans le domaine des matériaux métalliques. De plus, le/la candidat(e) devra être apte à travailler en équipe sur des projets pluridisciplinaires. Le/la candidat(e) doit de de plus avoir nécessairement des connaissances en programmation et des notions de linux.

Documents nécessaires pour postuler :
Les candidatures devront inclure un CV détaillé ; au moins deux références (personnes susceptibles d'être contactées) ; une lettre de motivation ; un résumé d'une page du mémoire de master ; les notes de Master 1 ou 2 ou d'école d'ingénieur.

ATTENTION : EN RAISON DE LA PERIODE ESTIVALE, LES REPONSES DE C. BECQUART ET C. DOMAIN VOUS PARVIENDRONT AVEC UN CERTAIN DELAI.

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