Effet de la composition chimique de la couche intercalaire

Dans cette partie, la couche de compliance est une couche intercalaire de composition W-Cu fixe. Pour exemple, les Figures 3-6 (a) et (b) correspondent aux cartographies de température d'une tuile plate composée d'une couche intercalaire (a) W90Cu10 ou d'une couche intercalaire (b) W10Cu90

(en fraction massique). Les températures maximales sont respectivement 943 et 822 °C. Le gradient de température de la surface du tungstène au niveau du canal de refroidissement est d'environ 600 °C dans un cas et de 500 °C dans l'autre et, ce, sur une distance de 13 mm.

CuCrZr

Couche intercalaire

Tungstène

Flux thermique : 10 MW.m^-2

Conditions hydrauliques : 120 °C

12 m.s^-1 35 bars

x y

z

Détermination des couches intercalaires par la Méthode des Eléments Finis

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Figure 3-6 : Cartographies de température des tuiles plates composées d'une couche intercalaire (a) W90Cu10 et (b) W10Cu90

La Figure 3-7 regroupe les températures maximales, à la surface, atteintes dans le tungstène en fonction de la teneur en masse de cuivre de la couche intercalaire. Pour un flux de 10 MW/m², la température du tungstène ne dépasse jamais sa température de recristallisation (1300 °C). Plus la composition chimique en cuivre au sein de la couche intercalaire augmente, plus la température maximale du tungstène est faible. Ceci s'explique par l'augmentation de la conductivité thermique du mélange W-Cu lorsque la composition chimique en cuivre augmente.

Figure 3-7 : Température maximale du tungstène en fonction de la composition chimique en cuivre de la couche intercalaire

La Figure 3-8 représente l'évolution de la température du CuCrZr en fonction de la composition chimique en cuivre de la couche intercalaire. La température maximale du CuCrZr est inférieure à la température en service du CuCrZr (450 °C). La température du CuCrZr est peu affectée par la présence de la couche intercalaire.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 700

800 900 1000 1100 1200 1300 1400

T em pér atu re ( °C )

Teneur en Cu (% pds)

Température tungstène Limite recristallisation

(a) (b)

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Figure 3-8 : Température maximale du CuCrZr en fonction de la teneur massique en cuivre de la couche intercalaire comparée à la température limite en opération du CuCrZr

Le gradient de température induit dans le composant entraîne des contraintes mécaniques dans le tungstène. Les amplitudes de ces contraintes sont notamment dues à la différence de coefficients de dilatation thermique entre le tungstène et la couche de compliance. Seules les contraintes dans le tungstène sont étudiées car les contraintes dans le CuCrZr ne sont pas dépendantes de la composition chimique de la couche intercalaire. Les Figures 3-9 (a) et (b) montrent les cartographies de contraintes dans le tungstène (z = 6 mm). Les cartographies montrent que la contrainte maximale se situe à l'interface entre le tungstène et la couche WxCu1-x, ce qui s'explique par la différence de CTE entre les deux matériaux. Lorsque la composition chimique de la couche intercalaire est W90Cu10, la contrainte maximale dans le plot de tungstène est de 279 MPa. Lorsque la composition chimique est W10Cu90, la contrainte maximale dans le plot de tungstène est de 671 MPa.

Figure 3-9 : Cartographies des contraintes (_xx) au milieu du tungstène (z=6) des tuiles plates composées d'une couche intercalaire (a) W90Cu10 et (b) W10Cu90

10 20 30 40 50 60 70 80 90

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Température (°C)

Teneur en Cu (% pds)

Température max du CuCrZr Limite opérationnelle CuCrZr

(a) (b)

Détermination des couches intercalaires par la Méthode des Eléments Finis

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La Figure 3-10 montre l'évolution de la contrainte maximale dans le tungstène en fonction de la composition chimique en cuivre de la couche intercalaire. La contrainte maximale dans le tungstène augmente, lorsque la composition chimique en cuivre augmente dans la couche intercalaire, jusqu'à atteindre un palier à partir de la composition chimique W30Cu70. La température du tungstène pour laquelle la contrainte est maximale se situe autour de 450 °C car la distance entre l'interface et le canal de refroidissement est constante (7 mm). La contrainte à la rupture est ainsi déterminée pour une température de 450 °C. A partir d'une couche W40Cu60, la contrainte maximale dans le tungstène dépasse la contrainte à la rupture du tungstène pouvant générer ainsi des fissures dans le matériau.

Figure 3-10 : Evolution de la contrainte maximale dans le tungstène en fonction de la teneur massique en cuivre de la couche intercalaire comparée à la contrainte à la rupture du tungstène à 450 °C

La Figure 3-11 montre l'évolution de la déformation totale maximale du CuCrZr en fonction de la composition chimique en cuivre de la couche intercalaire. Deux évolutions différentes sont observées avec un changement à W50Cu50. Entre W90Cu10 et W50Cu50, la déformation maximale diminue de 4,5 % à 0,5 %. Ainsi, le nombre de cycles thermique que le CuCrZr peut subir augmente avec la teneur en cuivre de la couche intercalaire. Entre W50Cu50 et W10Cu90, la déformation maximale du CuCrZr reste constante (0,5 %). Dans ce cas, le CuCrZr peut soutenir environ 3000 cycles à 10 MW.m^-2.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 200

300 400 500 600 700 800

Contrainte  xx (MPa)

Teneur en cuivre (% pds)

Contrainte max dans le W Contrainte à la rupture du W à 450 °C

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Figure 3-11 : Evolution de la déformation maximale dans le CuCrZr en fonction de la teneur massique en cuivre de la couche intercalaire

En conclusion, la température de surface du tungstène dépend de la quantité de cuivre présente dans la couche intercalaire et ne dépasse jamais sa température de recristallisation.

Néanmoins, si la composition chimique en cuivre de la couche au contact du tungstène est supérieure à 60 %, les contraintes dans le tungstène dépassent la contrainte à la rupture. La couche au contact du tungstène doit donc avoir une teneur en cuivre la plus faible possible. La couche intercalaire W90Cu10 est la plus appropriée. Cependant, cette composition étant trop difficile à densifier, le choix s'est porté sur la couche W80Cu20 [Galatanu, 2011].

La déformation du CuCrZr pour le cas W80Cu20 est de 3,0 %, ce qui implique une durée de vie inférieure à 200 cycles ce qui est bien trop insuffisant pour être qualifié comme composant du Divertor d'une machine de fusion (> 1000 cycles à 10 MW.m^-2). La couche intercalaire W40Cu60 est la couche permettant de réaliser les compromis vis-à-vis de l'ensemble des critères de conception.

Ainsi, lors de la réalisation d’un matériau à gradient de fonction, la couche intercalaire entre le tungstène et le CuCrZr doit être composée d'une part, d'au moins d'une couche de composition chimique W80Cu20 en interface avec le W, et, ce, pour limiter les contraintes dans le tungstène, et, d'autre part, d'une couche de composition chimique W40Cu60 en contact avec le CuCrZr, pour limiter la déformation du CuCrZr. Entre ces deux couches intercalaires, une couche de composition chimique W60Cu40 est ajoutée afin de réduire les contraintes dans la couche de compliance. De plus, ces trois compositions WxCu1-x sélectionnées sont celles disponibles chez Eurotungstène.

Ces résultats de modélisation montrent l'importance de la quantité de cuivre de la couche intercalaire. En effet, la composition chimique a une influence sur la température de surface du tungstène et sur le gradient de température dans la tuile plate. Par conséquent, les modélisations permettant d'optimiser l'épaisseur de chacune des couches intercalaires W80Cu20, W60Cu40, W40Cu60, s'effectueront à quantité volumique de cuivre constante dans toute la couche intercalaire.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 0,0

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

Déformation totale (%)

Teneur en cuivre (% pds)

Détermination des couches intercalaires par la Méthode des Eléments Finis

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