Published October 23, 2014 | Version v1
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Contribution to the modelling of solid state sintering

Description

This thesis deals with the simulation of the sintering of nuclear fuel on a pellet scale. The goal is to develop numerical tools which can contribute to a better understanding of the physical phenomena involved in the sintering process. Hence, a multi scale approach is proposed. First of all, a Discrete Element model is introduced. It aims at modeling the motion of particles on a Representative Elementary Volume scale using an original Discrete Element Method. The latter is a Non Smooth Method called Contact Dynamics. Recently, there have been numerous papers about the simulation of sintering using Discrete Element Method. As far as we know, all these papers use smooth methods. Different studies show that the results match well experimental data. However, some limits come from the fact that smooth methods use an explicit scheme which needs very small time steps. In order to obtain an acceptable time step, the mass of particles have to be dramatically increased. The Non Smooth Contact Dynamics uses an implicit scheme, thus time steps can be much larger without scaling up the mass of particles. The comparison between smooth and non smooth approaches shows that our method leads to a more realistic representation of rearrangement. An experimental validation using synchrotron X-Ray microtomography is then presented, followed by a parametric study on the sintering of bimodal powders that aims at showing the capacity of this model. The second part presents a mechanical model on the sub-Granular scale, using a Finite Element method. This targets a better understanding of the behavior of two grains in contact. The model is currently being developed but the first results already show that some parameters like the shape of the surface of the neck are very sensitive. In the future, the Non smooth Contact Dynamics model of sintering may be improved using the results obtained by the sub-Granular scale mechanical model. (author)

Abstract (French)

Cette these traite de la modelisation du frittage a l'echelle du Volume Elementaire Representatif de la pastille de materiau. L'objectif est de developper des outils numeriquesde comprehension des phenomenes physiques mis en jeu lors du frittage. Le domaine d'application cible est la fabrication du combustible nucleaire. Une approche multi-echelle a ete mise en oeuvre. Dans un premier temps une modelisation a d'echelle d'un empilement, basee sur la methode des Elements Discrets, a ete adoptee. Differentes etudes utilisant cette approche ont ete proposees dans la litterature ces dernieres annees. Tous ces travaux utilisent une methode discrete explicite. Si certains resultats ont pu etre valides experimentalement,une des limites vient de l'utilisation des methodes explicites dontle pas de temps critique est tres petit. Afin d'augmenter le pas de temps, la masse des particules y est augmentee artificiellement de plusieurs ordres de grandeur. Or,il a ete demontre que cette pratique conduit, dans certains cas, a une diminution du rearrangement des particules au sein de l'empilement. Dans cette these, une methode d'Elements Discrets implicite appelee Dynamique des Contacts a ete adaptee au frittage. Elle permet l'utilisation d'un pas de temps tres superieur a celui des methodes discretes explicites et ne necessite pas d'augmenter artificiellement la massedes particules. La comparaison entre la Dynamique des Contacts et la Methode des lements Discrets explicite montre que notre approche conduit a une representation plus fidele du rearrangement. Une validation experimentale par Microtomographie X ainsi qu'une etude parametrique sur le frittage des poudres bidisperses sont egalement presentees pour montrer les possibilites de l'approche discrete appliquee au frittage.La seconde partie est consacree a une modelisation a l'echelle de deux particules parla methode des Elements Finis. Ce modele repose sur une approche mecanique et vise a representer de facon plus precise le comportement de deux particules en contact. Les diffusions au joint de grains, en surface et en volume peuvent etre representees. Pour le moment, seules les diffusions en surface et au joint de grains ont ete etudiees. Si certaines optimisations restent necessaires pour que le code soit fonctionnel, plusieurs aspects apparaissent deja determinants, comme la courbure de la surface a proximite du joint de grains. A l'avenir, le modele Dynamique des Contacts du frittage pourra etre complete et ameliore grace aux elements apportes par le modele mecanique a l'echelle du grain

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Additional details

Additional titles

Original title (French)
Contribution a la modelisation du frittage en phase solide

Publishing Information

Imprint Pagination
230 p.
Report number
FRCEA-TH--6892

INIS

Country of Publication
France
Country of Input or Organization
France
INIS RN
47013559
Subject category
S36: MATERIALS SCIENCE;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis
Descriptors DEI
DIFFUSION; FINITE ELEMENT METHOD; MICROSTRUCTURE; NUCLEAR FUELS; PARTICLE MOBILITY; PELLETS; SINTERING
Descriptors DEC
CALCULATION METHODS; ENERGY SOURCES; FABRICATION; FUELS; MATERIALS; MATHEMATICAL SOLUTIONS; MOBILITY; NUMERICAL SOLUTION; REACTOR MATERIALS

Optional Information

Notes
139 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Bibliotheque du Centre de Recherches de Royallieu, rue Personne de Roberva, Bat. B, 60200 Compiegne (France)