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Microstructure modelling of irradiated Zirconium alloys : Application to a LOCA transitory and to the annealing of back-end fuel cycle
No full textLe sujet de cette thèse concerne les alliages de zirconium qui sont utilisés pour fabriquer la gaine du crayon combustible et les assemblages combustibles des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Ce type d'alliage est choisi dans le domaine du nucléaire pour sa faible section efficace de capture des neutrons thermiques. Cependant sous irradiation aux neutrons, il est observé des changements de forme et de volume, une augmentation de la dureté et une réduction importante de la ductilité du matériau, ce qui signifie une augmentation de sa fragilisation. Ce travail s’intéresse plus particulièrement à la croissance induite sous irradiation de la gaine qui résulte d’un allongement dans le plan basal et une contraction le long de l’axe c ⃗ de la maille hexagonale de la phase alpha du zirconium. Afin de mieux comprendre ces phénomènes, une approche multi-échelle a été utilisée pour modéliser l’évolution de la microstructure des alliages de zirconium (i) au cours de l’irradiation, (ii) pendant la phase transitoire d’un accident de perte de réfrigérant primaire (APRP) et (iii) au cours de la restauration en aval du cycle. Dans un premier temps, des calculs à l’échelle atomique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur des potentiels empiriques sont réalisés pour déterminer les propriétés et les caractéristiques des amas de défauts ponctuels (amas d’auto-interstitiels, amas de lacunes et boucles de dislocation).Afin de mieux caractériser au mieux les amas d’auto-interstitiels de petitetaille, les énergies de migration et les coefficients de diffusion du di et du tri-auto-interstitiels sontcalculés en dynamique moléculaire en utilisant la DFT. Une partie des résultats obtenus par lescalculs atomiques sont utilisés comme données d’entrée dans un code de type Monte Carlocinétique d’objet (OKMC) qui permet la simulation de l’évolution de la microstructure duzirconium en conditions (i) à (iii)The subject of this thesis concerns zirconium alloys which are used to manufacture the fuel rod cladding and fuel assemblies of pressurized water nuclear reactors. This type of alloy is chosen in the nuclear field for its low thermal neutron capture cross section. However, under neutron irradiation, changes in shape and volume, an increase in hardness and a significant reduction in the ductility of the material are observed, which means an increase in its embrittlement. This work focuses on the irradiation-induced growth of the cladding that results from an elongation in the basal plane and a contraction along the c ⃗ axis of the hexagonal lattice of the alpha phase of zirconium. This phenomenon amplifies beyond a threshold dose that coincides with the nucleation of dislocation loops and the formation of loop alignments as layers parallel to the basal plane. Nevertheless, the mechanisms of nucleation of defect clusters such as dislocation loops are still to be clarified. In order to have a better understanding of these phenomena, a multi-scale approach was used to model the evolution of the microstructure of zirconium alloys (i) during irradiation, (ii) during the transient phase of a loss-of-coolant accident (LOCA) and (iii) during the downstream restoration of the cycle. First, atomic scale calculations based on density functional theory (DFT) and empirical potentials are performed to determine the properties and characteristics of point defect clusters (self-interstitial clusters, vacancy clusters and dislocation loops).In order to have a better characterization of self-interstitial, the migrationenergies and diffusion coefficients of di- and tri-self-interstitials are calculated in moleculardynamics using DFT. Some of the results obtained by atomistic calculations are used as inputdata for an object kinetic Monte Carlo (OKMC) code, which simulates the evolution of themicrostructure of zirconium under conditions (i) to (iii
Solidification des aciers ternaires : modélisation de la microségrégation en croissance dendritique colonnaire, prise en compte de la réaction péritectique
No full textA new microsegregation model has been developed to be coupled to the macroscopic code SOLID. The purpose of this study is to describe macrosegregation in ingots more accurately by taking into account the nature of the phases formed during solidification and the thermodynamic equilibriums between them. So, the model has been coupled to the software Thermo-Calc and the peritectic transformation has been studied. The theoretical analysis of the results given by the model has allowed to understand some original cumulated microsegregation profiles during the peritectic growth. The micro-macro code resulting from the coupling of this model to SOLID has been tested on industrial ingots: the results show that the peritectic transformation can soften the macrosegregation severity in certain zones of the ingot and modeling the whole history of microsegregation is required to obtain the local cumulated profiles at the end of solidification.Un nouveau modèle de microségrégation a été développé pour être couplé avec le code macroscopique SOLID. L'objectif est de mieux décrire la macroségrégation dans les lingots en prenant en compte la nature des phases qui se forment au cours de la solidification ainsi que les équilibres thermodynamiques entre elles. Le modèle a donc été couplé au logiciel Thermo-Calc et la transformation péritectique a été étudiée. L'analyse théorique des résultats du modèle a permis d'interpréter des profils cumulés expérimentaux originaux établis au cours de la croissance péritectique. Le modèle de solidification micro-macro résultant du couplage avec SOLID a été testé sur des lingots industriels: les résultats montrent que la transformation péritectique peut atténuer l'intensité de la macroségrégation en certaines zones du lingot et que la modélisation de toute l'histoire de l'établissement de la microségrégation est requise pour décrire les profils cumulés locaux en fin de solidification
Calcul d’efficacités de puits de dislocations dans les matériaux irradiés par champ de phases
No full textL'objectif de ce travail est le développement d'une méthode numérique pour simuler la diffusion de défauts cristallographiques mobiles dans les métaux irradiés, ainsi que leur absorption par les puits, afin de mieux anticiper l'évolution microstructurale de ces matériaux. Un intérêt particulier a été porté au cas de l’interaction entre les défauts ponctuels et les dislocations.Les méthodes de champ de phases sont bien adaptées à ce problème, puisqu’elles peuvent tenir compte des effets élastiques des dislocations sur la diffusion de ces défauts dans les cas les plus complexes. Le modèle de champ de phases présenté dans ce travail a été adapté pour prendre en compte la création des défauts par irradiation ainsi que leur absorption par les cœurs de dislocation à l’aide d’un nouveau paramètre d’ordre associé à la morphologie du puits. La méthode a d’abord été validée dans différents cas de référence en comparant les forces de puits obtenues numériquement aux solutions analytiques disponibles dans la littérature.Elle a ensuite été appliquée aux dislocations dans le zirconium en faisant varier leur orientation, et en tenant compte des propriétés anisotropes du cristal et des défauts ponctuels, obtenus récemment par des calculs à l'échelle atomique.L'analyse des résultats démontre que l'anisotropie de forme des défauts ponctuels favorise l'absorption des lacunes par les boucles basales, ce qui est cohérent avec la croissance du zirconium sous irradiation expérimentalement observée.Enfin, l'étude rigoureuse des boucles de dislocation révèle que les simulations par champ de phases sont plus précises que les solutions analytiques dans des domaines de densités réalistes.The aim of this work is to develop a modelling technique for diffusion of crystallographic migrating defects in irradiated metals and absorption by sinks to better predict the microstructural evolution in those materials.The phase field technique is well suited for this problem, since it naturally takes into account the elastic effects of dislocations on point defect diffusion in the most complex cases. The phase field model presented in this work has been adapted to simulate the generation of defects by irradiation and their absorption by the dislocation cores by means of a new order parameter associated to the sink morphology. The method has first been validated in different reference cases by comparing the sink strengths obtained numerically with analytical solutions available in the literature. Then, the method has been applied to dislocations with different orientations in zirconium, taking into account the anisotropic properties of the crystal and point defects, obtained by state-of-the-art atomic calculations.The results show that the shape anisotropy of the point defects promotes the vacancy absorption by basal loops, which is consistent with the experimentally observed zirconium growth under irradiation. Finally, the rigorous investigation of the dislocation loop case proves that phase field simulations give more accurate results than analytical solutions in realistic loop density ranges
Phase-Field and atomic modelling of heterophase interfaces : application to zirconium hydrides
No full textLe but de ce travail était de contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes complexes qui sous-tendent la formation et l’évolution des hydrures dans le zirconium α et ses alliages. Dans ce contexte, des approches multi-échelles, mêlant simulations atomiques et par champ de phase, ont été employées pour aborder les propriétés structurales et énergétiques des interfaces hétérophases α|hydrures. Un intérêt particulier a été porté à l'hydrure γ-ZrH, en raison de sa stabilité et ses relations avec les chemins de précipitation controversés, via l’étude des interfaces basales et prismatiques complétée par une étude soignée des plans d’habitat. Une méthodologie originale transposable à d’autres systèmes, fondée sur la théorie microélastique combinée à des calculs ab initio, a été proposée pour estimer les énergies relatives à ces interfaces. Les résultats montrent une forte anisotropie jusque-là négligée dans la littérature. Du fait du caractère semi-cohérent des interfaces prismatiques, une évaluation correcte de leur énergie s'est révélée difficile. Une approche alternative a donc été suggérée, fondée sur un formalisme de champ de phase à même de décrire la structure de cœur des dislocations inhérentes à des interfaces prismatiques hc|cfc. Elle s’est avérée utile pour estimer la stabilité interfaciale de divers systèmes et pour prédire la perte de cohérence d’un germe croissant. Il a été montré que l'hydrure ζ-Zr2H cohérent constituerait un bon précurseur de γ. Enfin, l'emploi de la théorie microélastique aux interfaces α|hydrures a clairement indiqué la préférence pour des plans d'habitat pyramidaux πI. Un effet notable de la teneur en hydrogène a aussi été observé.The goal of this work was to contribute to a better understanding of the complex mechanisms underpinning the formation and evolution of hydrides in α zirconium and its alloys. In this context, multi-scale approaches combining atomic and phase-field simulations were employed to address the structural and energetic properties of heterophase α|hydrides interfaces. A peculiar attention was focused on the γ-ZrH hydride due to its controversed stability and to its supposed role one many sequences of precipitation. In particular, the study was concentrated on the basal and prismatic interfaces complemented by a meticulous study of the habit planes. An original methodology, transferable to other systems and based on the microelasticity theory combined with ab initio calculations, was proposed to estimate the energies related to these interfaces. The results show a strong anisotropy hitherto neglected in the literature. Due to the semi-coherent nature of prismatic interfaces, a correct evaluation of its energy was proven to be difficult. Thus, an alternative approach, grounded in a phase-field formalism and able to describe the core structure of inherent dislocations in prismatic interfaces, has been suggested. This approach turned out useful to estimate the interfacial stability of various systems as well as to predict the coherency loss of a growing seed. It has been showed that the coherent ζ-Zr2H hydride could constitute a good precursor of γ-hydride. Finally, the application of the microelasticity theory to α|hydrides interfaces has clearly showed a preference for πI pyramidal habit planes where a significant effect of hydrogen content in the hydride has also been observed
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
The origin and nature of metastable intermetallic compounds produced by thermo-mechanical joining processes of metals : mechanical alloying in Al-Cu system
No full textLe composé γ1−Al4Cu9 est souvent observé dans le système Al-Cu, comme produit principal de divers processus hors d’équilibre, en particulier la mécanosynthèse (MS). Sa formation est très surprenante à partir de mélanges riches en Al, en raison de l’existence, dans ce domaine de composition, de nombreux autres composés intermétalliques concurrents potentiels de γ1. Pour préciser les conditions d'apparition de γ1 et élucider les raisons de sa persistance, des mélanges de Al−25 at.% Cu sont broyés et la formation des phases ordonnées Al-Cu durant la MS est étudiée en détail pour différentes durées de processus. Cette étude expérimentale confirme la formation préférentielle de γ1. Afin d'élucider cette surprenante constatation, des calculs ab initio par la méthode de la fonctionnelle de densité (DFT) sont effectués, prenant en considération les enthalpies de défauts ponctuels pour γ1−Al4Cu9. A l’aide de l’approximation des défauts ponctuels indépendants (ADPI) et de la thermodynamique statistique, les diverses concentrations en antisites, lacunes et interstitiels sont obtenues en fonction de la température et de la déviation de stœchiométrie, ainsi que l'énergie libre de γ1−Al4Cu9. Des calculs analogues sont également réalisés pour des composés Al-Cu concurrents, dont la confrontation avec γ1−Al4Cu9 révèle que le comportement de ce dernier hors stœchiométrie fournit une explication plausible pour sa stabilité anormale. Dans une seconde étape, la validité de l’ADPI et les interactions de défauts ponctuels sont étudiées par (i) des simulations Monte-Carlo avec des potentiels semi-empiriques pour Al−Cu, (ii) des simulations ab initio de défauts ponctuels complexes dans les composés hors stœchiométrie γ1 riches en Al. La dernière étape de nos investigations sur la formation de γ1−Al4Cu9 concerne la possibilité de mécanismes athermiques, étudiée à l'aide des calculs DFT et d'une approche originale M2BCE de développements en amas incluant un traitement dans l’espace réciproque. En conclusion, cette étude apporte des éléments significatifs pour interpréter l’apparition préférentielle de phases complexes comme γ1−Al4Cu9 dans divers environnements a priori défavorables. Elle met en évidence des résultats-clés concernant l'origine et la nature des phases métastables produites par MS dans le système Al-Cu. Diverses possibilités sont également suggérées pour des travaux futurs, en vue d’accroître davantage notre connaissance des facteurs gouvernant la stabilité des phases (méta)stables.The γ1−Al4Cu9 compound is often observed at Al rich composition, as the main product by mechanical alloying (MA). To understand the conditions and the persistence of γ1−Al4Cu9 at Al rich composition, Al−25 at.% Cu mixtures were milled and investigated by various characterization methods. This experimental study confirms the preferential formation of γ1. In an effort to elucidate this surprising feature, first-principles DFT calculations were performed for bulk and point defect enthalpies in γ1−Al4Cu9. Based on the independent-point-defect-approximation (IPDA) and statistical thermodynamics, the concentrations of the various antisites, vacancies and interstitials were obtained as functions of temperature and deviation from stoichiometry, together with the free energy of γ1−Al4Cu9. These first-principles DFT calculations results revealed that the off−stoichiometry behavior of γ1−Al4Cu9 may provide a plausible explanation for its unusual stability. In a second step, the validity of IPDA and point defect interactions were investigated by (i) Monte-Carlo simulations with empirical potentials for Al−Cu, (ii) ab initio simulations of complex point defects in Al-rich off-stoichiometric γ1 compounds. The last step of this study on the formation of γ1−Al4Cu9 was concerned with the possibility of athermal mechanisms, investigated by first-principles DFT calculations and an original (M2BCE) cluster expansion approach including a reciprocal-space treatment. In conclusion, this study brings significant elements to interpret the preferential formation of complex γ1−Al4Cu9 phases in various a priori unfavourable environments. It evidences key-results regarding the origin and nature of metastable phases produced by MA in Al−Cu
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