Soutenance de thèse – Maxime Lematais – 13 janvier 2025

La soutenance de thèse de Maxime Lematais lieu le lundi 13 Janvier 2025 à 9h55 dans l’amphithéâtre F2 de l’École des Mines de Saint-Étienne.

Il sera également possible d’assister en ligne à celle-ci via Zoom.

Le travail sera présenté devant un jury composé de :

• Cazottes Sophie, Maître de conférence HDR, INSA Lyon, rapporteure
• Vrel Dominique, Directeur de recherche CNRS, Institut Galilée, Rapporteur
• Barthe Marie-France, Directrice de recherche CNRS, Université d’Orléans, Examinatrice
• Hirai Takeshi, Docteur, ITER, Examinateur
• Kermouche Guillaume , Professeur, Mines Saint-Étienne, Directeur de thèse
• Gallais Laurent, Professeur, Institut Fresnel, Co-directeur de thèse
• Marianne Richou, Docteur, CEA, Encadrante
• Claire Maurice, Chargée de recherche CNRS, Mines Saint-Étienne, Encadrante

La soutenance sera suivie par le traditionnel pot de thèse auquel les participants sont cordialement conviés.

Résumé

La fusion est une réaction nucléaire exothermique envisagée pour la production d’électricité. Dans les réacteurs à fusion nucléaire, le combustible est chauffé autours de 150 millions de degrés Celsius pour amorcer la réaction de fusion. Les particules chargées s’échappant du plasma de fusion sont transportées vers une région nommé divertor. Dans cette région, les composants du divertor doivent supporter d’intenses flux ioniques et thermiques. Sur ces composants, le tungstène est le premier matériau exposé au plasma. En conséquence, celui-ci est soumis à des températures comprises entre 300 et 3400 °C. La recristallisation du tungstène est une transformation de la microstructure ayant lieu lorsque celui-ci est soumis à des températures supérieures à 1000 °C. Cette transformation est accompagnée d’une modification des propriétés du tungstène. Cette transformation affecte donc les performances des composants du divertor. Chaque facteur (microstructure initiale, température, exposition à un plasma) affectant la recristallisation a été étudié de façon indépendante par divers auteurs. Bien que la recristallisation du tungstène soit un phénomène connu depuis plus de 50 ans, son étude dans un environnement de fusion nucléaire reste complexe. Pour déterminer l’effet couplé de ces facteurs sur la recristallisation, il est nécessaire de reproduire par simulations ou par expériences, les conditions attendues en tokamak. Les flux ioniques, neutroniques, et thermiques attendues varient fortement d’un composant à l’autre selon sa position dans le divertor. Les températures, et conditions d’irradiations résultants de ces flux thermiques fluctuent également fortement à l’intérieur d’un même composant. La diversité de ces conditions couplées à la mosaïque de matériaux en tungstène développés pour les réacteurs à fusion nucléaire résulte en une très importante quantité de combinaison possibles. L’étude couplée des facteurs affectant la recristallisation nécessite donc d’effectuer de nombreuses expériences ou simulations numériques. L’objectif de cette thèse est la mise aux points de nouvelles méthodes permettant de réduire la durée des expériences et simulations permettant d’étudier la recristallisation du tungstène à haute température. Dans cette optique, des méthodes d’expérimentation, de caractérisation et de modélisation ont été développées. Des expériences de traitement thermique à haute température permettant d’accélérer la recristallisation du tungstène ont d’abord été développé. Ces expériences permettent de réduire de plusieurs ordres de grandeur le temps nécessaire pour reproduire les conditions de températures responsable de la recristallisation du tungstène lors de transitoires lents. Par la suite, une méthodologie permettant d’optimiser le post-traitement des cartes EBSD est proposée. Cette méthodologie permet de discriminer les grains recristallisés des grains non recristallisés. Une méthode est également proposée pour accélérer l’estimation de la densité de dislocations dans les grains non recristallisés. Ces méthodes sont utilisées pour étudier la recristallisation d’un matériau respectant les spécifications ITER. L’influence d’une préexposition à un plasma d’hélium, des rampes de températures, et du gradient thermique sur la recristallisation de ce matériau est mesurée. Enfin, les différents mécanismes responsables de la recristallisation sont étudiés séparément à partir d’analyses DRX, EBSD et d’essais de dureté. A partir des résultats de cette étude, un modèle JMAK est développé pour permettre de corréler la croissance de grains, la diminution de la densité de dislocations, et l’évolution de la fraction recristallisée.

Mots clés : recristallisation, tungstène, fusion nucléaire, procédé laser, traitement thermique, EBSD, DRX, dureté, microstructure.