Romain Le Tellier (CEA Cadarache) a animé le vingtième webinaire de l’association portant sur l’utilisation d’une base thermodynamique dans un modèle de champ de phase au travers d’applications dans le nucléaire.
La méthode de champ de phase pour la simulation numérique du comportement de matériaux multiphasiques et multiconstituants est appliquée avec succès dans de nombreux domaines de par sa flexibilité pour inclure des phénomènes d’interaction variés d’une part et de par sa capture implicite des interfaces (diffuses) dans un cadre purement Eulérien d’autre part. Ainsi, au CEA, elle est utilisée, entre autres, pour des applications aussi variées que le comportement d’un bain de corium lors d’un accident grave d’un réacteur nucléaire, la démixtion d’un verre nucléaire pendant son élaboration, le comportement d’un combustible nucléaire soumis à une rampe de puissance ou encore l’étude des propriétés des matériaux de nouvelles générations de batteries lithium-ion.
Son approche systémique offre un cadre général de modélisation où, de l’écriture d’une fonctionnelle thermodynamique (typiquement l’énergie libre en configuration isotherme), découle un ensemble d’équations d’évolution des variables dépendantes (par exemple, une indicatrice de phase ou la concentration d’un constituant) qui décrivent le système en tout point de l’espace. Si les équations d’évolution obtenues sont toujours les mêmes (typiquement, Cahn-Hilliard, Allen-Cahn), les « ingrédients » de cette fonctionnelle dépendent bien sûr de l’application visée. En particulier, le choix de la fonction qui décrit l’énergie libre du système homogène est primordial.
Pour les matériaux multicomposants, la méthode CALPHAD et les bases thermodynamiques qu’elle permet de construire sont les outils privilégiés de capitalisation de la connaissance accumulée sur la thermodynamique de ces systèmes. Ainsi, pour des simulations quantitatives du comportement de transitoire de tels systèmes, il est naturel de vouloir utiliser ces bases pour décrire l’énergie libre du système homogène dans un modèle de champ de phase.
Après une introduction aux méthodes de champ de phase et quelques rappels sur les bases thermodynamiques construites avec la méthode CALPHAD, cette présentation illustre par des exemples de complexité croissante (issus d’applications dans le nucléaire au CEA) les principales questions posées par l’utilisation d’une base thermodynamique dans différents modèles de champ de phase, les réponses que l’on peut y apporter et les axes de recherche d’actualité sur ce sujet.