Empirical potential and elasticity theory modelling of interstitial dislocation loops in UO2 for cluster dynamics application

Abstract

Durant l'irradiation en pile, la microstructure de l'UO2 évolue et provoque une dégradation du matériau et une dérive de ses propriétés d'usage. Les modèles cinétiques utilisés pour décrire cette évolution tels que la Dynamique d'Amas (code CRESCENDO) traitent les éléments micro-structuraux principaux que sont les cavités et les boucles de dislocation interstitielles, et présentent une description relativement grossière de la thermodynamique des boucles. Pour répondre à cette insuffisance, ce travail de thèse a conduit à l'élaboration d'un modèle thermodynamique de boucles de dislocation interstitielles sur la base de calculs en potentiels empiriques.Le modèle tient compte de deux types de boucles de dislocation interstitielles occupant différents domaines de tailles:Type 1:Les boucles apparentées aux partielles de Frank des matériaux C.F.C. stables aux petites tailles.Type 2: Les boucles parfaites de vecteur de Burgers (a/2)(110) stables aux grandes tailles.L'expression analytique utilisée pour décrire les boucles de dislocation interstitielles est la formule générale d'énergie élastique des boucles de dislocation circulaires à laquelle des paramètres ont été ajoutés afin de tenir compte de l'énergie de cœur dont les effets sont importants aux petites tailles. Les paramètres ont été déterminés par les calculs en potentiels empiriques des énergies de formation des boucles de dislocation prismatiques orthogonales. L'effet de la réorientation des plans d'habitat boucles de dislocation parfaites est pris en compte par interpolation. La typologie des boucles proposées par le modèle est ainsi compatible avec les observations MET.During irradiation in reactor, the microstructure of UO2 changes and deteriorates, causing modifications of its physical and mechanical properties. The kinetic models used to describe these changes such as cluster dynamics (CRESCENDO calculation code) consider the main microstructural elements that are cavities and interstitial dislocation loops, and provide a rather rough description of the loop thermodynamics. In order to tackle this issue, this work has led to the development of a thermodynamic model of interstitial dislocation loops based on empirical potential calculations.The model considers two types of interstitial dislocation loops on two different size domains:Type 1: Dislocation loops similar to Frank partials in F.C.C. materials which are stable in the smaller size domain.Type 2: Perfect dislocation loops of Burgers vector (a/2)(110) stable in the larger size domain.The analytical formula used to compute the interstitial dislocation loop formation energies is the one for circular loops which has been modified in order to take into account the effects of the dislocation core, which are significant at smaller sizes. The parameters have been determined by empirical potential calculations of the formation energies of prismatic pure edge dislocation loops. The effect of the habit plane reorientation on the formation energies of perfect dislocation loops has been taken into account by a simple interpolation method. All the different types of loops seen during TEM observations are thus accounted for by the model