Etude des phénomènes de diffusion de l’hydrogène dans les gaines en zirconium par la méthode du premier principe

Abstract

Les alliages a base de Zirconium (Zr) sont largement utilises dans les reacteurs nucleaires. Mais, apres l'accident de Fukushima Daiichi, et afin dپfameliorer la surete nucleaire, Zr a attire la communaute scientifique pour des etudes, plus approfondies concernant le Zr et ses alliages ainsi que la diffusion de l'hydrogene dans le Zr. De ce fait, des etudes theoriques basees sur des modelisations Ab initio ont ete effectuee. Les parametres structuraux obtenus, les proprietes thermiques et mecaniques des ƒ؟-Zr et ƒآ-Zr propres sont en excellent accord avec les precedentes donnees experimentales et theoriques. Sur la base de la presente etude, la presence de Fe dans les interstices octaedrique du zirconium HCP (systeme Zr-Fe) induit une grande flexibilite (fragilite moindre) du systeme Zr-Fe compare au Zr propre. De plus, le systeme Zr-Fe fait augmenter remarquablement le coefficient de dilatation thermique causant ainsi une croissance du volume du materiau a mesure que sa temperature augmente. Les resultats obtenus sont mecaniquement avantageux et sont dپfune importance essentielle pour ameliorer la surete nucleaire et empecher la fragilisation du Zr pendant de long temps de fonctionnement des reacteurs nucleaires. Nous avons par ailleurs etudie l'adsorption et l'incorporation de l'hydrogene (H) dans une surface propre de Zr (0001) ainsi que lپfetude de l'effet de defauts de lacunes ou dپfincorporation dپfimpuretes sur la diffusion de l'hydrogene a travers cette surface Zr (0001). Les resultats obtenus confirment bien que les sites HCP et FCC sont energetiquement les plus stables pour les energies dپfadsorption de lپfhydrogene Eads(H), tandis que les sites d'incorporation de H les plus probables sont les sites Octaedriques et Tetraedriques (inOcta et inTetra). La lacune en atome Zr reduit les Eads(H) de H dans les sites FCC. A ƒ¦ = 0.25 (پل monolayer پâ = ML), l'energie d'incorporation Eincorp (H) au site inTetra augmente pour une surface Zr (0001) dopee en Fe, Ni et Nb, tandis que Sn et Si la font reduire. Par ailleurs, Cr et Nb font diminuer remarquablement lپfenergie minimale de parcours (MEP) lors de la migration de H a travers cette surface Zr (0001). Les resultats obtenus sont avantageux pour le stockage d'hydrogene dans les alliages a base de Zr, alors que ces impuretes pourraient endommager la gaine (le Zr dope) en facilitant la formation d'hydrures. L'etude des proprietes des hydrures de Zr (ƒآ-ZrH1.5, ZrH1.53 et ZrH1.59) est essentielle pour comprendre son comportement a des temperatures elevees. On constate que lorsque la teneur en H augmente, le parametre de maille augmente. Par ailleurs, en analysant les proprietes vibratoires (densite d'etat partielle پgPDOSپh de Phonon), nous avons trouve que ces hydrures sont dynamiquement stables (pas de frequences negatives imaginaires dans les resultats). En outre, un ecart clair entre les branches acoustiques et optiques avec environ 23 THz a ete observe en raison de la considerable difference de masse entre Zr et H (Zr est plus lourd que H). Une contribution faible de la frequence Zr (PDOS) apparait dans l'hydrogene et vice versa est a signaler. Sur la base de ces resultats, les hydrures etudies presentent globalement des proprietes vibratoires et thermodynamiques similaires