Nous avons étudié la sensibilité du T91 à la fragilisation par le sodium liquide. Une procédure expérimentale a été mise en place afin de procéder à des essais mécaniques en sodium sous atmosphère inerte. Grâce à l’introduction d’une étape préliminaire d’exposition au sodium, la mouillabilité du T91 par le sodium liquide et la structure de l’interface sodium/acier ont pu être étudiés en fonction des différents paramètres d’exposition. Une réduction significative des propriétés mécaniques est observée quand le mouillage de l’acier par le sodium est bon. L’utilisation de différentes teneurs en oxygène et en hydrogène suggère que l’oxygène joue un rôle primordial dans l’amélioration de la mouillabilité du T91. La sensibilité du phénomène de fragilisation à la vitesse de sollicitation et à la température a été caractérisée. A partir de ces résultats, l’existence d’une transition fragile/ductile, fonction de ces deux paramètres a été mis en évidence. L’étude de cette transition suggère qu’une étape de diffusion du sodium dans les joints de grains du T91 est limitante pour la fragilisation. Des analyses en microscopie électronique en transmission et par cartographies d’orientation de fissures arrêtées ont également permis de constater que le mode de rupture est interlatte ou intergranulaire, fournissant ainsi une image cohérente du processus de fragilisation. La même méthodologie a été appliquée à l’acier non allié XC10. Les résultats montrent un comportement en tous points similaire à celui de l’acier T91 et suggèrent donc un mécanisme commun pour les aciers cubiques centrés. De plus, ils confirment que la transition fragile ductile observée semble la conséquence d’une vitesse de propagation de fissure fragile relativement limitée. Cette propagation est activée thermiquement avec une énergie d’activation d’environ 50 kJ/mol. Enfin, il a été montré que l’acier austénitique 304L est également sensible à la fragilisation par le sodium liquide. Certaines surfaces de rupture témoignent clairement d’une rupture intergranulaire, cependant des interrogations persistent à propos du chemin de fissuration. / We studied the sensitivity of T91 steel to embrittlement by liquid sodium. An experimental procedure was set up to proceed to mechanical testing in sodium under an inert atmosphere. The introduction of a liquid sodium pre-exposure step prior to mechanical testing enabled the study of both the wettability of T91 by sodium and the structure of the sodium steel/interface as a function of the exposure parameters. The mechanical properties of T91 steel are significantly reduced in liquid sodium provided the wetting conditions are good. The use of varying oxygen and hydrogen concentrations suggests that oxygen plays a major role in enhancing the wettability of T91. The sensitivity of the embrittlement to strain rate and temperature was characterized. These results showed the existence of a ductile to brittle transition depending on both parameters. Its characterization suggests that a diffusion step is the limiting rate phenomenon of this embrittlement case. TEM and EBSD analysis of arrested cracks enabled us to establish that the fracture mode is interlath or intergranular. This characteristic is coherent with the crack path commonly reported in liquid metal embrittlement. A similar procedure was applied to the unalloyed XC10 steel. The results show a behavior which is similar to the one of T91 steel and suggest a common mechanism for liquid sodium embrittlement of body centered cubic steels. Moreover, they confirm that the ductile to brittle transition seems associated with a limited crack propagation rate. The propagation is thermally activated with activation energy of about 50 kJ/mol. Finally, it was shown that 304L austenitic steel is sensitive to liquid sodium embrittlement as well. Some fracture surfaces testify of an intergranular fracture mode, but some questions still remain about the crack path.

L'objectif de cette thèse est de produire une avancée dans la compréhension du phénomène de fragilisation par les métaux liquide (FML), en nous appuyant sur l'étude expérimentale et numérique du couple cuivre/mercure. La fragilisation du cuivre pur OFHC (Oxygen Free High Conductivity) par le mercure liquide est mise en évidence et quantifiée par des mesures de ténacité. En outre, un procédé d'ingénierie des joints de grains est appliqué afin d'augmenter de façon importante la proportion de joints de grains spéciaux Σ3 dans le cuivre. Des essais de FML sont alors réalisés et permettent d'établir le rôle de ces joints de grains dans la fragilisation du cuivre par le mercure liquide. En parallèle, des modélisations de joints de grains spéciaux Σ3 et Σ5 sont réalisées par calcul basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ces modélisations permettent à la fois de mettre en évidence une réduction des propriétés mécaniques de ces joints de grains en présence d'atomes de mercure, ainsi que de comprendre l'immunité des joints Σ3 observée expérimentalement. Cependant, ces modélisations ne permettent pas de rendre compte quantitativement des observations expérimentales. Pour améliorer cette description atomique de la FML, une contribution non locale est ajoutée, via l'utilisation d'un modèle de zone cohésive nourri par calcul DFT. Il est montré que le confinement du métal liquide en extrême pointe de fissure engendre une force normale aux parois de la fissure (l'origine physique de cette force est discutée), et que l'introduction de cette nouvelle composante permet de rendre compte des observations expérimentales de façon beaucoup plus quantitative. Ce dernier modèle est appuyé par la réalisation d'expériences de FML sous pression hydrostatique. / The aim of this thesis is to make an advance in the liquid metal embrittlement (LME) understanding, based on the experimental and numerical studies of the copper/mercury system. OFHC (Oxygen Free High Conductivity) copper embrittlement by liquid mercury is studied and quantified by toughness measures. Moreover, grain boundary engineering (GBE) is implemented in order to increase the proportion of special Σ3 grain boundaries. LME tests are performed and allow to establish the particular behaviour of the Σ3 grain boundaries in the copper embrittlement by liquid mercury. At the same time, modelling of special Σ3 and Σ5 grain boundaries based on density functional theory are performed. This allows to show the weakening of mechanical properties of both grain boundaries containing mercury atoms, and also to understand the immunity of Σ3 grain boundaries as observed experimentally. However, experimental observations can not been qualitatively explained by these modelling. In order to improve this description, a non-local contribution is introduced by means of a cohesive zone model. It is shown that the confinement of the liquid metal at the very crack tip produces a force normal to the surface of the solid (the origin of this force is discussed), and that the consideration of this force allows to describe more accurately experimental results. This model is supported by LME experiments under hydrostatic pressure.

Diese Arbeit behandelt numerisch die Fluiddynamik in Flüssigmetallbatterien. Insbesonders die Tayler-Instabilität und Elektrowirbelströmungen werden ausführlich betrachtet. Die Motivation der Untersuchungen besteht zum einen in einer Steigerung von Leistung und Sicherheit und zum anderen in der Senkung von Produktions- und Betriebskosten von Flüssigmetallbatterien. Es wird ein Lösungsverfahren für zeitabhängige magnetohydrodynamische Strömungen entwickelt und in OpenFOAM implementiert. Die Basisversion des Lösers erlaubt die Analyse einer flüssige Elektrode. Eine Erweiterung dient der Untersuchung des Einflusses von Stromsammler und Zuleitung der Batterie. Simulationen werden vorwiegend für zylindrische, aber auch für quaderförmige Elektrodengeometrien durchgeführt. Der Hauptteil der Arbeit widmet sich der stromgetriebenen Tayler-Instabilität, die in großen Batterien bei Strömen von einigen Kiloampere auftritt und dort zu einer Strömung in Form von Konvektionszellen führt. Das Auftreten, Wachstum und die Geschwindigkeiten dieser Instabilität werden analysiert und deren Bedeutung für die Batterie diskutiert. Zur Dämpfung bzw. Unterdrückung der Strömung werden eine Reihe von Gegenmaßnahmen vorgestellt und deren praktischer Nutzen bewertet. Der zweite, kürzere Teil der Arbeit befasst sich mit Elektrowirbelströmungen, deren Charakterisierung und ihren Wechselwirkungen mit der Tayler-Instabilität. Die besondere Bedeutung von Elektrowirbelströmungen für die Integrität der Elektrolytschicht sowie ihre Anwendbarkeit für die Verbesserung des Stofftransports in Flüssigmetallbatterien werden vervorgehoben.

Cette thèse se situe dans le cadre de la conception du réacteur nucléaire à caloporteur sodium ASTRID, actuellement à l'étude au CEA Cadarache. La mesure de vitesse du sodium liquide dans les boucles primaire et secondaire, ainsi que la détection de bulles, en cas de fuite par exemple, représentent un enjeu majeur pour le contrôle et la surveillance en fonctionnement du réacteur. Le caractère conducteur électrique du sodium liquide permet d'envisager l'utilisation de débitmètres à courants de Foucault, ou ECFM (pour Eddy Current Flow Meter) pour répondre à ces fonctions. Une précédente thèse réalisée par Mitlesh Kumar a permis de découpler le signal mesuré à l'ECFM relatif à la vitesse du métal, de celui relatif à la présence d'hétérogénéités dans le métal (telles que des bulles). L'objet de la présente thèse est de caractériser expérimentalement et analytiquement les effets de la vitesse et de la présence d'une inclusion isolante sur le signal mesuré, à partir d'écoulements modèles. Cette approche, complémentaire avec un certain nombre d'études en écoulement réel recensées dans la littérature, a pour objectif d'apporter un outil de compréhension physique au système. Deux dispositifs expérimentaux en métal liquide (galinstan) sont réalisés. Le premier dispositif représente un écoulement de galinstan en conduite cylindrique avec un champ de vitesse uniforme (écoulement piston), contenant une inclusion rigide électriquement isolante simulant une bulle. Le second dispositif expérimental est un écoulement en conduite de galinstan réel en l'absence d'inclusion. Les paramètres contrôlés sont la vitesse débitante du métal liquide (de 0.01 à 1 m/s), la taille et la position de l'inclusion (rayon entre 1 et 2.5 mm, profondeur entre 3 et 6 mm) et la fréquence (de 0.5 à 20 kHz). Le rayon de la conduite vaut 12.5 mm, et l'épaisseur de peau varie entre 2.4 et 15.3 mm sur cette plage de fréquence. Deux modèles théoriques, basés sur la résolution de l'équation d'induction du potentiel vecteur, sont en outre développés pour déterminer les effets de la vitesse et les effets de la présence de l'inclusion sur le signal mesuré. Dans les deux expériences, il est montré que le signal mesuré relatif à la vitesse du métal varie linéairement avec la vitesse et est maximal à une certaine fréquence (f = 2 kHz ici). Ces résultats correspondent à ceux du premier modèle théorique et montrent un bon accord avec la littérature. Dans la première expérience par ailleurs, le passage de l'inclusion à travers l'ECFM se manifeste par une oscillation du signal mesuré. Le comportement de l'oscillation est correctement décrit par le second modèle théorique dans la limite des basses fréquences (jusqu'à 2 kHz) : l'amplitude de l'oscillation est alors proportionnelle au volume de l'inclusion et suit une loi de puissance en f^2. Aux hautes fréquences, il est montré que l'amplitude et le déphasage du signal mesuré relatif à la présence de l'inclusion sont impactés de manière importante par la taille et la profondeur de l'inclusion. Un début de méthode inverse est développé à partir de ce résultat, pour déterminer la taille et la position de l'inclusion / This thesis is included in the conception of the prototype of Sodium Fast Reactor (SFR) ASTRID, currently studied in the CEA Cadarache. Velocimetry of liquid sodium in the primary andsecondary loops, and bubble detection in sodium (e.g. in case of leaks) represent a major issue for the control and oversight of the reactor. The electrical conductive property of liquid sodium allows to consider the use of Eddy Current Flow Meters (ECFM) for this purpose. A previous thesis realized by Mithlesh Kumar highlighted a decoupling of the signal measured with the ECFMrelative to the velocity, to the one relative to the presence of heterogeneities (such as bubbles). The object of the present thesis is to caracterize experimentally and analytically the effects of velocity and the effects of the presence of an insulating inclusion on the measured signal, thanks to modeled flows. This approach, complementary with most of the studies of real flows existing in the litterature, aims to give a tool for a physical comprehension of the system. Two experimental set-ups with liquid metal (galinstan) have been developed. The first set-up represent a galinstan flow in a cylindrical duct at uniform velocity (plug flow), advecting electrically insulating rigidinclusion simulating a bubble. The second experimental set-up is a galinstan flow in a cylindrical duct without inclusion. The controled parameters are the flow velocity (from 0.01 to 1 m/s), the size and location of the inclusion (radius from 1 to 2.5 mm, depth of 3 and 6 mm) and the frequency (from 0.5 to 20 kHz). The radius of the duct is equal to 12.5 mm, and the skin depth varies between 2.4 and 15.3 mm for this frequency range. Two theoretical models, based on the resolution of the induction equation of the vector potential, are moreover developed to determine velocity effects and inclusion effects on the measured signal. In both experimental studies, it is shown that the measured signal relative to the liquid metal velocity varies linearly with velocity and is maximal at a given frequency (f = 2 kHz here). These results are corresponding well with those of the first theoretical model and show a good agreement with litterature. Besides, in the first experimental study, the passage of the inclusion through the ECFM manifests itself by an oscillation of the measured signal. The behaviour of the oscillation is well described by the second theoretical model within the limit of low frequencies (up to 2 kHz) : the amplitude of the oscillation is then proportionnal to the inclusion volume and follows a power law in f^2. At high frequencies, it is shown that amplitude and phaseshift of the measured signal relative to the presence of an inclusion are highly impacted by inclusion size and depth. A first step of inverse method is developed from this result, in order to determine size and location of an inclusion.

The Master’s thesis was conducted under the project FR-TI1/070 “Optimalization of heavy steel casting manufacture” in cooperation with ŽĎAS a. s. foundry. It evaluates rate of conchoidal fracture in samples extracted from experimental castings. The testing bar for the static tensile test were extracted from thermal axis of casting. The research part describes ways of deoxidating the liquid metal and usage of separate deoxidating chemical parts, followed by summary of research knowledge on conchoidal fractures. In the practical part, the process of sample evaluation is described. The conchoidal fracture, the surface of which was evaluated on the fracture surfaces, influences mechanical qualities of cast steel. Simultaneously, impacts of metallurgical factors on rate of conchoidal fracture were examined

The condition of fluid flow has been proven to have a significant influence on a wide variety of material processes. In electromagnetic levitation (EML) experiments, the internal flow is driven primarily by electromagnetic forces. In 1-g, the positioning forces are very strong and the internal flows are turbulent. To reduce the flows driven by the levitation field, experiments may be performed in reduced gravity and parabolic flights experiments have been adopted as the support in advance. Tracer particles on the surface of levitated droplets in EML experiment performed by SUPOS have been used to investigate the transition from laminar to turbulent flow. A sample of NiAl3 was electromagnetically levitated in parabolic flight and the laminar-turbulent transition observed from the case was studied in this work. For the sample with clearly visible tracer patterns, the fluid flow has been numerical evaluated with magnetohydrodynamic models and the laminar-turbulent transition happened during the acceleration of the flow, instead of steady state. The Reynolds number at transition was estimated approximately as 860 by the experiment record. The predicted time to transition obtained from the results of simulation showed significant difference (~ up to 300 times) compared with the time obtained from the experiment—0.37s. The discrepancy between numerical and experimental results could not be explained by the proposed hypotheses: geometry, boundary conditions or solid core. The simulations predict that the flow would become turbulent almost instantaneously after the droplet was fully molten. There are important physics shown by the simulation which were not captured.

Thesis: Ph. D., Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering, 1982 / Includes bibliographical references. / by Paul Douglas Symolon. / Ph. D. / Ph. D. Massachusetts Institute of Technology, Department of Mechanical Engineering

Steam property evaluations may represent a significant portion of the computing time necessary for power system simulations. The iterative nature of the solutions for heat transfer and kinetic equations often requires thousands of steam property evaluations during the execution of a single program. Considerable savings may be realized by simplification of property evaluations. Empirical equations have been obtained for the thermodynamic properties of water in the region of interest. To maintain thermodynamic consistency, the compressibility factor Z, in terms of pressure and temperature, was obtained by curve fitting, and the enthalpy, entropy, and internal energy were derived by standard relationships. Formulations for heat capacity, saturation temperature as a function of saturation pressure, the specific volume of saturated water as a function of saturation pressure, and specific volume of saturated water as a function of the saturation temperature were determined by curve fitting of independent equations. Derivatives were obtained by differentiation of the appropriate formulations. Evaporator and superheater components of a liquid metal fast breeder reactor power plant simulator were chosen as test cases for the empirical representations. Results obtained using the empirical equations were comparable to those obtained using tabular values, but significant savings in computational costs were realized. Execution time for the evaporator program with the empirical forms was approximately 27 percent less than for the program with tables. Execution time for the super-heater program was approximately 23 percent less.

High manganese TWIP (TWinning Induced Plasticity) steels are particularly attractive for automotive applications because of their exceptional properties of strength combined with an excellent ductility. However, as austenitic steels, they appear to be sensitive to liquid zinc embrittlement during welding, the liquid zinc arising from the melted coating due to the high temperatures reached during the welding process. In this framework, the cracking behaviour of a high manganese austenitic steel has been investigated in relation to the liquid metal embrittlement (LME) phenomenon by hot tensile tests carried out on electro-galvanized specimens using a Gleeble 3500 thermomechanical simulator. The influence of different parameters such as temperature and strain rate on cracking behaviour has been studied. Embrittlement appears within a limited range of temperature depending on experimental conditions. Conditions for which cracking occurs could be experienced during welding processes. The existence of a critical stress above which cracking appears has been evidenced and this critical stress can be used as a cracking criterion. Finally, the study of the influence of different parameters such as time of contact between steel and liquid zinc before stress application, coating and steel on LME occurrence provides understanding elements of LME mechanism and permits to suggest solutions for preventing cracking during spot welding of such steels.

L’apparition des objets connectés intelligents dont nous sommes les témoins depuis quelques années a généré un besoin croissant d’antennes à bas coût et énergétiquement sobres. La capacité d’effectuer à la volée une mise en forme du faisceau où sa reconfiguration est une propriété particulièrement intéressante, qui pourrait permettre à l’objet intelligent d’effectuer des tâches telles que la surveillance de zone par exemple ou bien d’optimiser son bilan de liaison en ne visant qu’une seule direction de l’espace. Cela pourrait également mener à un accroissement de l’autonomie de l’objet, via une diminution de sa consommation énergétique, voir à le rendre totalement indépendant s’il devient suffisamment économe pour envisager son alimentation via des systèmes de récupération d’énergie. C’est dans ce contexte que nous proposons ici une nouvelle architecture d’antenne reconfigurable, capable d’un balayage de faisceau sur 360° degrés et basée sur l’utilisation de métal liquide au sein d’un système d’actionnement microfluidique. Dans le premier chapitre, nous ferons une rapide présentation des deux principales technologies de balayage de faisceau utilisées aujourd’hui avant d’étudier les diverses techniques de déplacement de métal liquide utilisées et documentées dans la littérature. L’objectif de ce travail est de sélectionner la technique la plus adaptée à nos besoins. Dans le second chapitre, nous proposerons les deux designs d’antennes envisagés pour notre système, basés sur l’architecture Yagi-Uda. Nous discuterons des avantages et inconvénients de chacun afin d’en sélectionner un qui sera examiné plus en avant dans le chapitre suivant. Dans le troisième chapitre, nous étudierons, à l’aide de simulations électromagnétiques, les performances du design d’antenne sélectionné dans le but de justifier notre choix. Cette étude se concentrera sur l’implémentation graduelle de la complexité du design retenu, en partant d’un système très théorique pour aboutir à une émulation très proche de ce que pourrait être un prototype final. Finalement, dans le quatrième et dernier chapitre nous considérerons deux preuves de concept du système complet ainsi que leurs différentes techniques de fabrications. Étant donné le fait que chaque preuve de concept se concentre soit sur l’aspect RF ou fluidique du système, nous étudierons aussi leurs performances respectives. Nous détaillerons également le développement de certains procédés de fabrication spécifiques utilisés pour réaliser les briques de base, en particulier les objets micro-fluidiques. Ce chapitre nous permet de conclure positivement cette étude de la faisabilité du concept proposé et développé dans ce travail. / The advent of autonomous connected smart objects we are witnessing since a few years has generated a growing need for low cost and energetically sober reconfigurable antennas. The ability to perform on the fly beam shaping and re-configuration is a particularly interesting property which would allow the smart object to perform task such as area surveillance for example and to optimize its link budget by targeting a specific direction of space. This could also allow the increase of the object’s autonomy, through a diminution of its power consumption, or even to render it fully autonomous if it becomes sober enough to envision the use of energy harvesting systems. It is in this context that we propose here a new reconfigurable antenna architecture, capable of 360° beam steering, based on the use of liquid metal within a microfluidic actuation system.In the first chapter, we will do a quick presentation of today’s two main beam steering technics used for antennas before studying the various used and documented technics of liquid metal displacement used in the literature for RF applications. The objective is to single out the better suited one to our requirements.In the second chapter, we will propose the two antenna designs envisioned for our system, based on the Yagi-Uda architecture. We will discuss the advantages and drawbacks of each in order to select one design which will be more closely investigated on the following chapter.In the third chapter, we will study, with the help of electromagnetic simulations, the performances of this selected antenna design in order to justify our choice. This study will focus on the gradual complexity implementation of the chosen design, from a very theoretical system to one very close to what a final prototype would be. Finally, in the fourth and last chapter we will consider two proofs of concept of the complete system and their various fabrications technics. Given that each proof of concept focus either on the RF or the fluidic aspect of the system, we will investigate their performances. We will also detail the development of some of the specific fabrication processes used for the basic building blocks, especially for the fluidic objects. This chapter allow us to conclude positively this study on the feasibility of this concept which was proposed and developed in this work.