Nuclear fuel performance is highly affected by the behaviour of fission gases, particularly at elevated burnups, where large amounts of gas are produced and can potentially be released. The importance of fission gas release was the motivation for large efforts, both experimentally and theoretically, in order to increase our understanding of the different steps of the process, and to continuously improve our models. Extensions to higher burnups, together with the growing interest in novel types of fuels such as inert matrix fuels envisaged for the transmutation of minor actinides, make that one is still looking for a permanently better modelling, based on a physical understanding and description of all stages of the release mechanism. Computer simulations are nowadays envisaged in order to provide a better description and understanding of atomic-scale processes such as diffusion, but even in order to gain insight on specific processes that are inaccessible by experimental means, such as the fuel behaviour during thermal spikes. In the present work simulation techniques based on empirical potentials have been used, focusing in a first stage on pure uranium dioxide. The behaviour of point defects was at the core of this part, but also the estimation of elastic and melting properties. Then, in a second stage, the study has been extended to the behaviour of helium and xenon. For helium, the diffusion in different domains of stoichiometry was considered. The simulations enabled to determine the diffusion coefficient and the migration mechanism, using both molecular dynamics and static calculation techniques. Xenon behaviour has been investigated with the additional intention to model the behaviour of small intragranular bubbles, particularly their interaction with thermal spikes accompanying the recoil of fission fragments. For that purpose, a simplified description of these events has been proposed, which opens perspectives for further work. / Les performances du combustible nucléaire sont fortement affectées par le comportement des gaz de fission, et ce particulièrement lorsqu’un taux d’épuisement élevé est atteint, puisque d’importantes quantités de gaz sont alors produites et peuvent potentiellement être relâchées. Les enjeux, entre autre économiques, liés au relâchement de gaz de fission ont donné lieu à d’importants efforts, tant sur le plan expérimental que théorique, afin d’accroître notre compréhension des différentes étapes du processus, et d’améliorer sans cesse les mod`eles. Les extensions à des taux d’épuisements encore plus élevés ainsi que l’intérêt croissant pour de nouveaux types de combustible tels que les matrices inertes, envisages en vue de la transmutation des actinides mineures, font qu’à l’heure actuelle, le besoin permanent d’une meilleure modélisation, basée sur une compréhension et une description physique des différentes étapes du processus de relâchement de gaz de fission, est toujours de mise. Les simulations par ordinateur ont ainsi été considérée comme un nouvel angle de recherche sur les processus élémentaires se produisant à l’échelle atomique, à la fois afin d’obtenir une meilleure compréhension de processus tels que la diffusion atomique ; mais aussi afin d’avoir accès à certains processus qui ne sont pas observables par des voies expérimentales, tels que la le comportement du combustible lors de pointes thermiques. Dans ce travail, deux techniques, basées sur l’utilisation de potentiels interatomiques empiriques, ont permis d’étudier le dioxyde d’uranium, dans un premier temps en l’absence d’impuretés. Cette partie était principalement centrée sur le comportement des défauts ponctuels, mais a aussi concerné différentes propriétés élastiques, ainsi que le processus de fusion du composé. Ensuite l’étude a été étendue aux comportements de l’hélium de du xénon. Pour ce qui a trait à l’hélium, la diffusion dans différents domaines de stoechiométrie a été considérée. Les simulations ont permis de déterminer le coefficient de diffusion ainsi que le mécanisme de migration lui-même. Quant au xénon, outre les propriétés de diffusion, l’intention fut de se diriger vers la modélisation des petites bulles intragranulaires, et plus précisément vers leur interaction avec les pointes thermiques, créées lors du recul des fragments de fission. Une description simplifiée de ce processus a été proposée, qui offre de nouvelles perspectives dans ce domaine.

Le système zirconium-hydrogène est très étudié dans le cadre de la sûreté nucléaire car la précipitation d'hydrures entraîne la fragilisation des gainages, à base d'alliage de zirconium. Il s'agit de la première barrière de confinement des produits radioactifs : son intégrité doit être maintenue tout au long de la vie des assemblages combustible, en centrale y compris en cas d'accident et post-centrale (transport et entreposage). De nombreuses incertitudes demeurent quant aux cinétiques de précipitation des hydrures et à l'impact des contraintes sur leur précipitation. La modélisation à l'échelle atomique de ce système permettrait d'apporter des clarifications sur les mécanismes en jeu. Les méthodes traditionnelles de modélisation atomistique sont basées sur des approches thermostatistiques, dont la précision et la fiabilité dépendent du potentiel interatomique qui les alimente. Or il n'existe pas de potentiel rendant possible une étude rigoureuse du système Zr-H. Cette thèse a permis de développer cet outil manquant en utilisant l'approximation des liaisons fortes. Au-delà de ce nouveau potentiel, ce travail donne un guide détaillé des nombreuses étapes d'une dérivation de tels potentiels avec la prise en compte de l'hybridation spd, ajustés ici sur des calculs DFT. Ce guide est établi tant pour un métal de transition pur que dans la perspective d'un couplage métal-covalent (carbures, nitrures et siliciures métalliques). / The zirconium-hydrogen system is of nuclear safety interest, as the hydride precipitation leads to the cladding embrittlement, which is made of zirconium-based alloys. The cladding is the first safety barrier confining the radioactive products: its integrity shall be kept during the entire fuel-assemblies life, in reactor, including accidental situation, and post-operation (transport and storage). Many uncertainties remain regarding the hydrides precipitation kinectics and the local stress impact on their precipitation. The atomic scale modeling of this system would bring clarifications on the relevant mechanisms. The usual atomistic modeling methods are based on thermostatistic approaches, whose precision and reliability depend on the interatomic potential used. However, there was no potential allowing a rigorous study of the Zr-H system. The present work has indeed addressed this issue: a new tight-binding potential for zirconium hydrides modeling is now available. Moreover, this thesis provides a detailed manual for deriving such potentials accounting for spd hybridization, and fitted here on DFT results. This guidebook has be written in light of modeling a pure transition metal followed by a metal-covalent coupling (metallic carbides, nitrides and silicides).

Dans un processus de photoassociation, deux atomes froids de césium absorbent un photon au cours de leur collision pour former une molécule froide électroniquement excitée dans un niveau de rotation et de vibration défini. L'énergie cinétique initiale des atomes libres étant très faible, le processus est résonnant et permet d'effectuer une spectroscopie à haute résolution qui donne accès à des niveaux de vibration de grande élongation, proches de la limite de dissociation. Nous présentons dans cette thèse les spectres des états corrélés à la limite 6S+6P et mettons en évidence le caractère purement longue distance de l'état 1u (6S+6P3/2). Cet état consiste en une paire d'atomes uniquement lié à 1,5 nm par l'interaction électrostatique multipolaire. La modulation de l'intensité des raies pour une progression vibrationnelle donnée reflète la structure nodale de la fonction radiale en onde s de deux atomes en collision dans l'état fondamental. La photoassociation par excitation de l'état 0g-(6S +6P3/2) d'atomes polarisés permet de déterminer les valeurs de la longueur de diffusion de l'état triplet du césium (aT = -530 a0) et du coefficient de Van der Waals de l'état fondamental moléculaire (C6 = 6510 u.a.). La photoassociation d'atomes froids de césium permet aussi la formation de molécules froides dans l'état fondamental singulet ou triplet après émission spontanée des molécules photoassociées. Différents schémas de formation sont caractérisés. Notament, les potentiels en double-puits 0g-(6S+6P3/2) et 1u(6S+6P3/2) présentent un point de Condon à distance intermédiare et constituent un cas idéal pour la formation de molécules froides. Le nuage moléculaire froid est analysé : des températures aussi basses que 20 microKelvins ont été mesurées et la distribution des niveaux de rotation et de vibration est étudiée. Les efficacités pour la réaction de photoassociation et pour la formation de molécules froides sont mesurées et comparées aux calculs théoriques.

Ce travail a pour but d’améliorer la description structurale du verre de TeO2 pur et d’étudier en profondeur la structure de la phase désordonnée δ-TeO2 au moyen de la dynamique moléculaire (DM). Nous avons établi des potentiels interatomiques (IAP), simples mais non triviaux, prenant en compte la polarisabilité des atomes de tellure et d’oxygène à l'aide du modèle cœur-coquille. Nous avons démontré le rôle important de la paire libre électronique de l'atome de Te dans la formation d'unités asymétriques TeOx. Les IAPs précis reproduisent 17 structures cristallines à base de TeO2 et sont appropriés pour les simulations par DM des systèmes désordonnés. Les simulations des structures de la phase vitreuse pure et de δ-TeO2 ont été effectuées par DM. Il a été démontré que le verre de TeO2 est principalement constitué d'unités structurales TeO3 et TeO4, et un grand nombre d'atomes d’oxygène non-pontant (NBO) est observé. La coordinence des atomes de tellure est plus faible dans le verre que dans les structures cristallines pures.Dans la phase δ-TeO2, les atomes de tellure forment un réseau cristallin (CFC) bien défini et les atomes d'oxygène présentent un grand désordre de position. Cette phase est caractérisée par une population d’unités structurales, une coordinence des atomes de tellure et une proportion d'atomes d’oxygène non pontant typique du verre. Par conséquent, la structure δ-TeO2 est plus proche de celle du verre que des structures d'autres polymorphes cristallines de TeO2 pures. / This work aims to improve the structural description of the pure TeO2 glass and to give a deep insight into the structure of the disordered δ-TeO2 phase by means of molecular dynamics (MD) simulations.We derived simple but nontrivial interatomic potentials (IAPs), which take into account the polarisability of tellurium and oxygen atoms using the core-shell model. We demonstrated the important role of the electronic lone pair of the tellurium atoms in the formation of asymmetrical TeOx units. The accurate IAPs is able to reproduce 17 crystalline TeO2-based structures and are appropriate for MD simulations of disordered systems.The MD simulations of the pure glass and δ-TeO2 phase structures were carried out. It was demonstrated that the TeO2-glass consists of mainly TeO3 and TeO4 structural units and a large number of non-bridging oxygen (NBO) atoms is observed. The coordination number of the tellurium atoms in the glass is less than in the pure crystalline structures.In the δ-TeO2 phase, the tellurium atoms form a well-defined crystalline (FCC) lattice and the oxygen atoms exhibit a large positional disorder. This phase has a structural units distribution and a tellurium coordination number and a proportion of NBO atoms similar to those of the glass. Hence, the structure of δ-TeO2 is closer to that of glass than to the structures of other pure TeO2 crystalline polymorphs.

L’objectif de ce travail consiste à développer un nouveau potentiel SMTB-Q, puis à l’incorporer dans un code de dynamique moléculaire (DM) afin d’étudier les premiers stades de l’oxydation de l’aluminium. Le potentiel peut modéliser les différents polymorphes de l’alumine ainsi qu’une transition de la phase amorphe vers une phase cristalline. Notre approche couple un terme covalent avec la charge. Il utilise le schéma de Rappé et Goddard pour la partie électrostatique et le modèle du réseau alterné de C. Noguera pour la partie covalente. Le potentiel SMTB-Q obtenu est validé par une approche Monte Carlo. Nous y présentons les outils utilisés pour l’optimisation du potentiel ou analyser les résultats obtenus pour les situations hétérogènes. Cette étude permet de montrer que le potentiel SMTB-Q donne une description satisfaisante de la liaison Al-O dans différentes configurations atomiques. Cette liaison résulte de la compétition entre trois contributions énergétiques : électrostatique, covalente et répulsion de Pauli entre les oxygènes. Après son incorporation dans le logiciel LAMMPS, le potentiel SMTB-Q est utilisé en DM pour l'étude d'oxydes à stœchiométrie constante. Les transitions de phases de l’alumine sont étudiées sous haute pression et en température. Le problème du changement de stœchiométrie de l’oxyde est traité à partir de l'étude de diverses structures de différentes stœchiométries. Nous introduirons la liaison métallique dans le potentiel. La superposition des liaisons iono-covalentes et métalliques sera étudiée pour des systèmes métal/oxyde. Enfin, nous discuterons du formalisme du potentiel SMTB-Q face au changement de stœchiométrie dans l’oxyde. / The goal of this work is to develop a new SMTB-Q potential in order to study the early stages of the oxidation of aluminium by molecular dynamics (MD).Our potential is able to model different alumina polymorphs as well as transitions from the amorphous state to a crystalline phase. Our approach couples a covalent term with the charge. It uses Rapp_ and Goddard scheme for the electrostatic part and the model of alternating network developed by C. Noguera for the covalent part.The SMTB-Q potential was validated with a Monte Carlo approach. This study shows that the potential SMTB-Q gives satisfactory results for the Al-O bonding in different atomic configurations. The bonding results from the competition between three energy contributions: electrostatic, covalent and Pauli repulsion between the oxygens.After implementation in the LAMMPS software, the potential SMTB-Q is used to study by DM constant stoichiometry oxides. Alumina phase transitions are observed under high pressure and temperature. We also introduce the metallic bonding in the potential. The superposition of the iono-covalent and metallic bonds was investigated for metal / oxide systems. Finally, we discuss the formalism of the SMTB-Q potential to take into account the change of stoichiometry in the oxide.

Nuclear fuel performance is highly affected by the behaviour of fission gases, particularly<p>at elevated burnups, where large amounts of gas are produced and can<p>potentially be released. The importance of fission gas release was the motivation<p>for large efforts, both experimentally and theoretically, in order to increase our<p>understanding of the different steps of the process, and to continuously improve<p>our models.<p>Extensions to higher burnups, together with the growing interest in novel types<p>of fuels such as inert matrix fuels envisaged for the transmutation of minor actinides,<p>make that one is still looking for a permanently better modelling, based<p>on a physical understanding and description of all stages of the release mechanism.<p>Computer simulations are nowadays envisaged in order to provide a better<p>description and understanding of atomic-scale processes such as diffusion, but even<p>in order to gain insight on specific processes that are inaccessible by experimental<p>means, such as the fuel behaviour during thermal spikes.<p>In the present work simulation techniques based on empirical potentials have<p>been used, focusing in a first stage on pure uranium dioxide. The behaviour of<p>point defects was at the core of this part, but also the estimation of elastic and<p>melting properties.<p>Then, in a second stage, the study has been extended to the behaviour of helium<p>and xenon. For helium, the diffusion in different domains of stoichiometry<p>was considered. The simulations enabled to determine the diffusion coefficient and<p>the migration mechanism, using both molecular dynamics and static calculation<p>techniques. Xenon behaviour has been investigated with the additional intention<p>to model the behaviour of small intragranular bubbles, particularly their interaction<p>with thermal spikes accompanying the recoil of fission fragments. For that<p>purpose, a simplified description of these events has been proposed, which opens<p>perspectives for further work.<p>/<p>Les performances du combustible nucléaire sont fortement affectées par le comportement<p>des gaz de fission, et ce particulièrement lorsqu’un taux d’épuisement<p>élevé est atteint, puisque d’importantes quantités de gaz sont alors produites<p>et peuvent potentiellement être relâchées. Les enjeux, entre autre économiques,<p>liés au relâchement de gaz de fission ont donné lieu à d’importants efforts, tant<p>sur le plan expérimental que théorique, afin d’accroître notre compréhension des<p>différentes étapes du processus, et d’améliorer sans cesse les mod`eles. Les extensions<p>à des taux d’épuisements encore plus élevés ainsi que l’intérêt croissant pour<p>de nouveaux types de combustible tels que les matrices inertes, envisages en vue<p>de la transmutation des actinides mineures, font qu’à l’heure actuelle, le besoin<p>permanent d’une meilleure modélisation, basée sur une compréhension et une description<p>physique des différentes étapes du processus de relâchement de gaz de<p>fission, est toujours de mise.<p>Les simulations par ordinateur ont ainsi été considérée comme un nouvel angle<p>de recherche sur les processus élémentaires se produisant à l’échelle atomique, à la<p>fois afin d’obtenir une meilleure compréhension de processus tels que la diffusion<p>atomique ;mais aussi afin d’avoir accès à certains processus qui ne sont pas observables<p>par des voies expérimentales, tels que la le comportement du combustible<p>lors de pointes thermiques.<p>Dans ce travail, deux techniques, basées sur l’utilisation de potentiels interatomiques<p>empiriques, ont permis d’étudier le dioxyde d’uranium, dans un premier<p>temps en l’absence d’impuretés. Cette partie était principalement centrée sur le<p>comportement des défauts ponctuels, mais a aussi concerné différentes propriétés<p>élastiques, ainsi que le processus de fusion du composé.<p>Ensuite l’étude a été étendue aux comportements de l’hélium de du xénon. Pour<p>ce qui a trait à l’hélium, la diffusion dans différents domaines de stoechiométrie<p>a été considérée. Les simulations ont permis de déterminer le coefficient de diffusion<p>ainsi que le mécanisme de migration lui-même. Quant au xénon, outre les<p>propriétés de diffusion, l’intention fut de se diriger vers la modélisation des petites<p>bulles intragranulaires, et plus précisément vers leur interaction avec les pointes<p>thermiques, créées lors du recul des fragments de fission. Une description simplifiée de ce processus a été proposée, qui offre de nouvelles perspectives dans ce<p>domaine.<p><p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Une approche donnant de meilleurs résultats pour les potentiels interatomiques en apprentissage-machine à la volée est proposée en comparant trois approches pour la recherche de processus activés par la technique d'activation-relaxation. Tout d'abord, nous discutons de l'intérêt et des enjeux de l'utilisation des potentiels en apprentissage-machine et justifions l'utilisation de l'apprentissage à la volée pour la recherche de processus activés. Cela nous mène à présenter la forme générale des potentiels en apprentissage-machine, quelques modèles via leurs descripteurs de configuration atomique, paramètres et hyperparamètres ainsi que la méthode de l'apprentissage à la volée. Ensuite, nous présentons les méthodes d'exploration utilisées et les détails d'intégration du potentiel à la volée. Enfin, nous menons une étude comparative des trois approches pour un système de Si et de SiGe avec diffusion de lacune. La méthodologie proposée de potentiel de haute précision permet d'étendre la gamme de problèmes pouvant être étudiés par la technique d'activation-relaxation. / An approach giving better results for on-the-fly machine learning interatomic potential proposed by comparing three approaches for exploration of activated processes by the activationrelaxation technique. We first discuss the interest and challenges of on-the-fly machine learning potential and justify the use of on-the-fly learning for the search for activated processes. This leads us to present the general form of machine learning potentials and some models via their atomic configuration descriptors, parameters and hyperparameters as well as the on-the-fly learning method. Then, the exploration methods used are defined and the details of the integration of the potential are presented. Finally, a study is conducted comparing the three approaches for a Si and SiGe system with vacancy diffusion. The proposed methodology of high-precision potential allows to extend the range of possible problems to be studied by the activation-relaxation technique.