Frittage par Spark Plasma Sintering de céramiques de carbure de bore : modélisation numérique du procédé et optimisation des nano-,microstructures pour l’amélioration des performances des absorbants en réacteurs à neutrons rapides

Discipline

Matériaux céramiques et traitements de surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Modélisation numérique

Mots-clés

Carbure de bore,

Spark plasma sintering (métallurgie),

Stoechiométrie,

Matériaux - Propriétés mécaniques,

Matériaux -- Fluage

Cette étude a pour objectif d’élaborer de nouveaux matériaux de carbure de bore utilisés en tant qu’absorbants neutroniques en réacteurs à neutrons rapides. La stratégie adoptée vise l’affinement de la microstructure des matériaux afin de limiter le phénomène de déformation anisotropique des grains sous irradiation qui est responsable de la dégradation des pastilles en fonctionnement. Deux nuances de matériaux ont été élaborées par le procédé SPS avec des microstructures submicroniques et nanométriques, permettant une diminution des tailles de grains par rapport au matériau de référence historiquement utilisé par le CEA. Les matériaux SPS ainsi que le matériau de référence ont été caractérisés et comparés du point de vue chimique, mécanique et thermique. Ce second volet de l’étude a permis de sélectionner le matériau SPS submicronique et d’approfondir les caractérisations en matière de résistance à la rupture et de tenue aux chocs thermiques. Il a ainsi été montré un gain de performance par rapport au matériau de référence. D’autre part, le comportement au fluage à haute température du matériau SPS a été évalué et les mécanismes de déformation associés identifiés. Par ailleurs, la fabrication des pastilles d’absorbant nécessitant un accroissement du rapport hauteur sur diamètre par rapport aux pastilles SPS classiques, un modèle numérique a été développé. L’acquisition des différentes données du procédé nécessaire à cette modélisation a reposé sur une instrumentation spécifique aux mesures thermiques et électriques. D’autre part, les paramètres de densification du matériau SPS ont été déterminés à partir d’un modèle d’écoulement visqueux non linéaire. Les phénomènes thermiques, électriques et mécaniques décrits par le modèle ont alors été validés par la confrontation au suivi expérimental du retrait d’un échantillon de carbure de bore.