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Endommagement du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre dans les composants à haut flux pour la fusion contrôlée

De
261 pages
Sous la direction de Eric Martin
Thèse soutenue le 15 octobre 2010: Bordeaux 1
Les composants face au plasma constituent la première paroi en contact avec le plasma dans les machines de fusion telles que Tore Supra et ITER. Ces composants doivent supporter des flux importants et donc des températures élevées. Ils sont composés d'un matériau de protection, le composite carbone/carbone, d'un matériau de structure, le cuivre chrome zirconium, et d'un matériau, le cuivre doux, qui sert de couche d'adaptation entre le composite carbone/carbone et le cuivre chrome zirconium. L'utilisation de matériaux différents entraîne l'apparition de fortes contraintes résiduelles de fabrication, dues à la dilatation différentielle entre les matériaux, et compromet le fonctionnement durable des machines de fusion puisque l'endommagement apparu à la fabrication peut se propager. L'objectif de la thèse est donc d'étudier l'endommagement du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre sous les sollicitations que peuvent subir les composants face au plasma au cours de leur vie. Les comportements mécaniques du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre ont donc été étudiés afin de mettre en place les modèles les mieux adaptés à la description de leur comportement. Avec ces modèles, des calculs thermomécaniques ont été réalisés sur les composants face au plasma avec le code éléments finis Cast3M. La fabrication de ces composants engendre des contraintes élevées qui endommagent le composite carbone/carbone et la liaison composite/cuivre. L'endommagement se propage lors des retours à température ambiante et non lors de l'exposition à un flux thermique. Des géométries alternatives pour les composants face au plasma ont été étudiées pour réduire l'endommagement. La relation entre l'endommagement du composite carbone/carbone et sa conductivité thermique a également été démontrée.
-Composants face au plasma
-Composite à fibres de carbone
-Iter
-Modèle de zone cohésive
-Endommagement
-Éléments finis
-Fusion
Plasma facing components consitute the first wall in contact with plasma in fusion machines such as Tore Supra and ITER. These components have to sustain high heat flux and consequently elevated temperatures. They are made up of an armour material, the carbon/carbon composite, a heat sink structure material, the copper chromium zirconium, and a material, the OFHC copper, which is used as a compliant layer between the carbon/carbon composite and the copper chromium zirconium. Using different materials leads to the apparition of strong residual stresses during manufacturing, because of the thermal expansion mismatch between the materials, and compromises the lasting operation of fusion machines as damage which appeared during manufacturing may propagate. The objective of this study is to understand the damage mechanisms of the carbon/carbon composite and the composite/copper bond under solicitations that plasma facing components may suffer during their life. The mechanical behaviours of carbon/carbon composite and composite/copper bond were studied in order to define the most suitable models to describe these behaviours. With these models, thermomechanical calculations were performed on plasma facing components with the finite element code Cast3M. The manufacturing of the components induces high stresses which damage the carbon/carbon composite and the composite/copper bond. The damage propagates during the cooling down to room temperature and not under heat flux. Alternative geometries for the plasma facing components were studied to reduce damage. The relation between the damage of the carbon/carbon composite and its thermal conductivity was also demonstrated.
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14077/document
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Institut de Recherche sur la
Fusion par Confinement
magnétique
CEA Cadarache
Thèse de doctorat de l’Université Bordeaux 1
Spécialité :
Mécanique et Ingénierie
Endommagement du composite
carbone/carbone et de la liaison
composite/cuivre dans les composants
à haut flux pour la fusion contrôlée
Présentée par :
Gaëlle CHEVET
Soutenue publiquement le 15 octobre 2010 devant le jury composé de :
Y. Lepetitcorps Professeur, Université Bordeaux 1 Président
L. Guillaumat Professeur ISAT, Nevers Rapporteur
N. Carrere Ingénieur-chercheur, ONERA, Châtillon Rapp
M. Ferraris Professeur, Institut polytechnique de Turin Examinatrice
M. Braccini Chargée de recherche, Université J. Fourier, Grenoble
M. Richou Ingénieur-chercheur, CEA Cadarache Responsable CEA
E. Martin Professeur, Institut Polytechnique de Bordeaux Directeur de thèse
J. Schlosser Ingénieur-chercheur, CEA Cadarache Invité
E. Castelierhercheur, CEAhe InvitéA mes parents, à mes frères, à Etienne,Remerciements
Ce travail de thèse a été accompli grâce à de nombreuses personnes qui ont participé activement
sur le plan scientifique mais également sur le plan humain.
Jetienstoutd’abordàremercierM.GuillaumatetM.Carrèred’avoiracceptéd’êtrelesrapporteurs
de mon travail de thèse et d’avoir soulevé des remarques et des questions constructives. Merci à M.
Le Petitcorps qui m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse, qui a porté un grand intérêt à
cette thèse et qui m’a posé des questions judicieuses. Je remercie également Mme Ferraris, qui s’est
déplacée depuis l’Italie pour participer à ma soutenance de thèse, et qui m’a suggéré de très bonnes
remarques et posé des questions pertinentes sur mon travail. Merci à Muriel Braccini, qui a participé
activement à mon travail en réalisant des essais (plutôt difficiles à mettre au point), qui a réussi à
en tirer des conclusions pertinentes, qui a également accepté d’être membre de mon jury et qui m’a
suggéré des remarques très intéressantes au cours de la soutenance. Un immense merci à M. Castelier
qui m’a énormément aidée à régler mes problèmes avec Cast3M. Une bonne partie de mon travail
n’aurait pas vu le jour sans votre aide.
Merci à Jacques et Marianne, mes deux encadrants CEA. Jacques, pour tous les bons conseils
scientifiques et pour m’avoir appris beaucoup d’autres choses qui me serviront à l’avenir (la rigueur, le
souci du détail, le côté théâtral des présentations orales...). Marianne, pour tous les très bons conseils
dont tu m’as fait bénéficier, surtout le côté pédagogique de mes présentations et de mon manuscrit,
ainsi que les remarques constructives pour améliorer mon travail.
Un immense merci à M. Martin, mon directeur de thèse, qui est tout simplement formidable,
scientifiquement et humainement. Vous m’avez toujours recadrée gentiment lorsque je partais sur
des théories farfelues, vous avez été plein de bons conseils et surtout très encourageant, ce qui m’a
beaucoup aidée.
Merci également à Gérald, Vincent et Matthieu du LCTS qui ont participé activement à mon
travail (Ah!! Les réunions à Bordeaux, avec la petite cigarette pour finir). Merci d’avoir pris le temps
de m’expliquer tant de choses et parfois de vous être creusé la tête pour moi.
Merci à M. Chatelier, M. Grosman et Mme Faury, qui m’ont permis de réaliser cette thèse dans
un cadre très agréable à l’IRFM, au SIPP plus particulièrement.
Un grand merci à Colette et Laurence, secrétaires du SIPP, qui ont toujours fait un travail formi-
dable, surtout à la fin de ma thèse où je vous ai énormément embêtées. Plus particulièrement, Colette,
je tiens à te remercier pour ta gentillesse et ta sympathie, et pour les petites discussions, dans les
couloirs ou lors des pauses-clopes, qui ont toujours été très agréables.
Merci aux membres de mon groupe, le GCFP puis GCECFP, qui m’ont très bien accueillie lors de
mon arrivée et qui ont toujours été disponibles pour me conseiller et me guider. Plus particulièrement,
merci à Marc de m’avoir aidée à prendre en main Cast3M et à Fred qui m’a beaucoup aidée à mieux
cernermonsujet. Merciégalementà touslesautres,entreautresThierry,Jean-Marcel,Xavier,Vincent
C., Nicolas V., Corrine, Maryline, Clarisse, Elise, Yann, Manfred, Raphaël, Alain, etc... pour tous les
conseils avisés et les discussions dans les couloirs ou les bus, qui peuvent apporter beaucoup.Un énorme merci au groupe de thésards, post-docs, stagiaires, euro-trainees et quelques perma-
nents, avec qui j’ai trainé pendant ces trois ans et qui m’ont permis de bien décompresser lors des
soirées, resto, ciné, sorties rafting, ski, etc... En particuler Ronan (Star Wars, Harry Potter, les bou-
quins SF - fantastiques, les ronanises... Inoubliable!!), Nico (Mr. No Stress - Méga cervelle, et toutes
les déconnades qu’on a pu avoir), Dany (Ah!! Le trianon... Tu m’en referas, hein!!), Sophie (notre
camionneuse nationale, toujours agréable de papotter avec toi), Mélanie P. (LA sportive du groupe,
toujours partante pour une sortie), Gwen (pour les blagues pas drôles), Victor (les petits délires et
les coups de main en prog’), Marie-Hélène (toujours gentille et pleine de bons conseils), Vincent P. et
Kristine(tropcontentedevousavoirretrouvés,etbiendessoiréesàvenirencore),SaraetMélanieL.(à
quand la prochaine soirée nanas??), Cédric (et ses "Deminubadibedou" pour se sortir la tête du boulot
pendant quelques minutes). Il y en a encore beaucoup d’autres : Chantal, Florence, Céline, Vincent
M., Valentin et Guillemette, Yann et Cécile, Cristine NG., Stan, Matthieu, Claire-Marie (merci pour
les coups de main pour l’EVJF de Kris) et Thibault, Sandra (merci également pour l’EVJF de Kris)
et Ansar, Julien, Estelle (grande amie de toujours), Elodie (toujours partante pour s’amuser), DD et
Toumi (merci pour l’hospitalité toutes les fois où j’ai débarqué à Paris, parfois sans prévenir, et pour
le super séjour à Budapest. A quand la prochaine??), Hélène et JB (j’ai hâte d’être à votre mariage).
Merci à vous tous pour tous les bons moments passés ensemble.
Merci également à ma belle famille, Jean-Pierre, Bernadette et Guillaume, qui ont eu le courage
de venir à ma soutenance, qui m’ont aidée à installer le pot et qui m’ont accueillie à bras ouverts chez
eux.
Un immense merci à toute ma famille. Mickey pour nos grandes conversations et ta passion pour
le Japon, Nico pour toutes les bêtises que tu me racontes au téléphone (que j’apprécie beaucoup) et
ta bonne humeur constante, Philippe et Catherine, mon pôpa et ma môman, pour tous vos encoura-
gements et votre soutien, pour tout ce que vous m’avez apporté depuis 25 ans. Sans vous, je n’en serai
pas là.
Un grand merci à Etienne, pour ton soutien constant au cours de ces trois ans, pour avoir réussi à
me supporter dans les moments difficiles de ma thèse, pour avoir partagé mon bonheur lors des bons
moments et pour toutes les autres choses que j’ai vécues avec toi.Table des matières
Glossaire vii
Introduction 1
1 Contexte et problématique des composants face au plasma 5
1.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 La réaction de fusion thermonucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Le confinement du plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Les machines de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Les composants face au plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.5 Les matériaux de protection pour les composants face au plasma . . . . . . . . 10
1.2 Description de composants face au plasma de Tore Supra et d’ITER . . . . . . . . . . 12
1.2.1 La géométrie tuile plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 La monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Contraintes résiduelles de fabrication des composants face au plasma . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Contraintes résiduelles dans la tuile plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1.1 Calcul analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1.2 Calcul par éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Contraintes résiduelles au sein d’un monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2.1 Calcul analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2.2 Calcul par éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4 Conclusions du chapitre 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2 Le composite carbone/carbone 27
2.1 Description du composite carbone/carbone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
iTABLE DES MATIÈRES
2.2 Fabrication, microstructure et caractérisation des CFC de type N11, NB31 et NB41 . 28
2.2.1 Fabrication et microstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1.1 N11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.1.2 NB31 et NB41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.2 Caractérisation mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2.1 N11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2.2 NB31 et NB41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.3 Modélisation du comportement endommageable du CFC . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.1 Approches possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.2 Description des modèles choisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2.1 Modèle ONL (Orthotrope Non Linéaire) . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2.2 Modèle ODM (ONERA Damage Model) . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3.3 Identification des paramètres des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3.1 Identification pour le N11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3.2 Identification pour le NB31/NB41 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4 Les critères de rupture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.1 Les critères phénoménologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4.2 Les critères énergétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.4.3 Les critères tensoriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4.4 Critères choisis et comparaison aux résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . 51
2.5 Utilisation des modèles et des critères de rupture dans Cast3M . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.1 Simulation des essais de caractérisation des matériaux . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.1.1 Essais de du N11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.5.1.2 Essais de caractérisation du NB31 et du NB41 . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.2 Simulation de la fabrication des composants face au plasma . . . . . . . . . . . 59
2.5.2.1 Comparaison des modèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.2.2 Endommagement du CFC des CFP après fabrication . . . . . . . . . 61
2.5.2.3 Rupture du CFC des CFP après fabrication . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.6 Conclusions du chapitre 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3 La liaison composite/cuivre 69
iiTABLE DES MATIÈRES
3.1 Description de la liaison composite/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2 Caractérisation de la liaison composite/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1 La liaison N11/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1.1 Essais de caractérisation réalisés sur éprouvettes . . . . . . . . . . . . 71
3.2.1.2 Essais de cisaillement réalisés sur tuiles plates . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.2 La liaison NB31/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.1 Essais de caractérisation réalisés sur éprouvettes . . . . . . . . . . . . 73
3.2.2.2 Essais de réalisés sur monoblocs . . . . . . . . . . . . . 74
3.3 Modélisation du comportement de la liaison composite/cuivre . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.1 Modélisations possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.2 Les modèles de zone cohésive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.2.1 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.2.2 Le modèle bilinéaire d’Alfano-Crifield . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.2.3 Extension du modèle d’Alfano-Crisfield en trois dimensions . . . . . . 90
3.4 Résolution des problèmes liés à l’utilisation des MZC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.1 Dépendance au maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.1.1 Maillage de la tuile plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.4.1.2 Maillage du monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.4.2 Problèmes de convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.4.2.1 Modes purs I et II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.4.2.2 Mode mixte (I, II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.4.2.3 Application à un calcul 3D sur monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5 Utilisation du MZC dans Cast3M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.5.1 Identification des paramètres du MZC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.5.1.1 La liaison N11/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.5.1.2 La liaison NB31/cuivre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.5.2 Simulation de la fabrication des CFP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.2.1 Répartition des contraintes dans le CFC . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.5.2.2 Endommagement du CFC et de la liaison composite/cuivre . . . . . . 115
3.5.2.3 Rupture du CFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.6 Conclusions du chapitre 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
iiiTABLE DES MATIÈRES
4 Calculs thermomécaniques sur tuile plate et monobloc 123
4.1 Comportement des CFP lors de la fabrication et sous des sollicitations caractéristiques
du fonctionnement d’un tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4.1.1 Evolution des variables thermomécaniques sous les différentes sollicitations . . 123
4.1.1.1 Répartition des contraintes et rupture du CFC . . . . . . . . . . . . . 125
4.1.1.2 Endommagement du CFC et de la liaison composite/cuivre . . . . . . 131
4.1.1.3 Déformation plastique cumulée dans le cuivre doux . . . . . . . . . . 135
4.1.2 Dispersion sur les propriétés mécaniques de la liaison composite/cuivre . . . . . 138
4.1.2.1 Conséquences sur l’endommagement dans la tuile plate . . . . . . . . 139
4.1.2.2 surt dans le monobloc . . . . . . . . . 139
4.2 Propagation de défauts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4.2.1 Répartition des contraintes et rupture du CFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.2 Endommagement du CFC et de la liaison composite/cuivre . . . . . . . . . . . 146
4.3 Etudes sur le monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2
4.3.1 Monobloc sous 20 MW/m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.1.1 Répartition des contraintes et rupture du CFC . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.1.2 Endommagement du NB31 et de la liaison NB31/cuivre . . . . . . . . 151
4.3.2 Améliorations géométriques pour le monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.3.2.1 Comparaison des résultats après fabrication pour les différentes géo-
métries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.3.2.2 Monobloc ouvert sous sollicitations caractéristiques du fonctionnement
d’un tokamak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.3.3 Adaptation du modèle ODM pour une étude en fatigue des monoblocs . . . . . 163
4.3.3.1 Campagne expérimentale de cyclage thermique sur monoblocs avec
défauts usinés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.3.3.2 Simulation des essais de cyclage sur monoblocs avec défauts usinés . . 164
4.3.3.3 Introduction d’une loi reliant la conductivité thermique aux variables
d’endommagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
4.4 Conclusions du chapitre 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Conclusion 175
A Valeur des paramètres des modèles pour les matériaux 181
A.1 Paramètres du modèle ODM pour les CFC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
iv