Interaction dislocation hydrogène dans le zirconium
Résumé
Le zirconium est un matériau de structure important dans l'industrie nucléaire où ses alliages sont utilisés en particulier pour fabriquer les assemblages de combustible nucléaire dans les réacteurs à eau pressurisée. Au cours du fonctionnement du réacteur, la réaction d'oxydation avec l'eau à la surface de la gaine conduit à une prise d'hydrogène par l'alliage de zirconium. Nous nous sommes intéressés à l'influence de cette prise d'hydrogène sur les propriétés mécaniques du zirconium en étudiant plus précisément l’interaction des dislocations avec l’hydrogène présent en solution solide. Comme dans tout matériau cristallin, le comportement mécanique du zirconium est principalement déterminé par le glissement des dislocations. Le zirconium est un métal de structure hexagonale compacte à température ambiante et d’opération en réacteur. La déformation plastique s’accommode principalement dans le zirconium avec les dislocations de vecteur de Burgers 1/3 <12 ̅10> communément appelée dislocations . Ces dernières glissent facilement dans les plans prismatiques de la maille hexagonale compacte.
Dans le cadre de cette étude, nous avons utilisé des simulations atomiques afin de précisément décrire le cœur des dislocations par le biais de calculs ab initio. Lorsque l’on modélise une dislocation vis, cette dernière se dissocie en deux partielles suivant un plan donné avec une configuration plus stable lorsque la dissociation se fait dans le plan prismatique [1]. L’objet de cette étude a donc été de déterminer l’interaction d’une dislocation vis dissociée dans le plan prismatique avec un atome d’hydrogène dissout dans la matrice. Dans le cadre de cette étude, l’hydrogène en solution a été déposé dans les sites tétraédriques de la maille de zirconium, sites connus pour être leur lieu d’habitat habituel [2]. L’interaction entre l’hydrogène et la dislocation a été calculée pour différentes positions de l’hydrogène au voisinage du centre de la dislocation, que cela soit pour les sites tétraédriques présents avant l’insertion de la dislocation ou les sites créés par l’introduction de cette dernière.
Les résultats montrent globalement des interactions attractives entre la dislocation et l’hydrogène, sans que l’hydrogène ne modifie la structure de cœur de la dislocation comme observé lors de l’étude de l’interaction entre l’oxygène et la dislocation vis [3]. A de basses températures, si l’on considère l’hydrogène comme immobile dans la matrice de zirconium et que la dislocation glisse et arrive à son voisinage, l’hydrogène devrait dans ce cas ancrer la dislocation et rendre ainsi son glissement plus difficile. A des températures plus élevées où l’hydrogène diffuse, l’hydrogène ségrégera sur la dislocation, créant ainsi une atmosphère de Cottrell autour de cette dernière ce qui demandera à la dislocation plus d’énergie pour glisser.