Etude expérimentale et modélisation de l'usure d'un contact 316LN/304L soumis à sollicitations d'Impact-Fretting en milieu REP : Eau Lithium-Bore 315°C / 155 bar // Experimental analysis and Modeling of Wear in a 316LN/304L Contact Subjected to Impact-Fre

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Problématiques scientifiques et industrielles : La société Framatome souhaite développer de nouveaux réacteurs nucléaires plus sûrs et plus pérennes. Un point crucial de leur fonctionnement concerne le système de contrôle des réactions nucléaires dans le milieu primaire (REP : Réacteur à eau pressurisée), assuré par les grappes de contrôle. Celles-ci sont constituées de tubes en INOX 316LN nitruré contenant des pastilles de bore (absorbeur de neutrons). Ces tubes coulissent au sein de l'assemblage combustible et sont guidés par des cartes de guidage en 304L. Plongés dans la cuve et soumis au flux de l'eau du circuit primaire, les tubes en 316LN subissent des vibrations induites par les écoulements turbulents. Ces vibrations engendrent des micro-glissements alternés (fretting), combinés à des sollicitations d'impact qui usent les contacts 316LN/304L. Ces usures peuvent entraîner une perte de fonctionnalité du système de guidage et donc potentiellement un mauvais contrôle des réactions nucléaires. Il apparaît essentiel de formaliser et de modéliser ces phénomènes. Une thèse CIFRE est ainsi mise en place dans le cadre de la Chaire Industrielle « Fretting Wear Design », associant le Centre des Matériaux des Mines de Paris et le Centre de Recherche (DTI) de Framatome.

Déroulement de la thèse : L'objectif est de développer un modèle d'usure permettant de prédire la cinétique d'usure sous sollicitations variables d'impact-fretting pour un contact 316LN/304L, dans des conditions représentatives de l'interface tube 316LN/alvéole 304L en milieu REP (eau lithium-bore à 315 °C / 155 bar). Cette recherche combinera expérimentations et simulations numériques. Après une bibliographie approfondie, le (la) doctorant(e) analysera le spectre de chargement issu d'essais instrumentés afin d'établir un trajet de chargement représentatif. Une première étape consistera à reproduire ces sollicitations sur le banc IF-1 du CDM [1,2], permettant de réaliser des essais de fretting-impact en conditions atmosphériques (eau lithium-bore à 25–80 °C / 1 bar). Une campagne expérimentale permettra de quantifier l'évolution de la cinétique d'usure en fonction des énergies d'impact et de glissement imposées à l'interface et de développer un modèle d'usure « impact-glissement ». Cette recherche sera ensuite étendue afin de simuler l'évolution des profils et de la profondeur maximale d'usure à l'aide d'un code semi-analytique [3]. Une fois le modèle calibré, il sera transposé à des chargements aléatoires de glissement et d'impact. Les travaux se poursuivront grâce au nouveau banc IF-2 du CMAT, permettant de travailler en eau pressurisée (315 °C / 155 bar). Les nouvelles données permettront d'étudier l'effet de l'environnement REP sur les processus d'usure des surfaces 316LN et 304L. Le modèle sera affiné afin d'intégrer les effets de tribo-corrosion induits par la pression et la température de l'eau lithium-bore. À l'issue de ces travaux, un modèle multiphysique tribologie–matériaux–corrosion sera développé au sein d'un code d'usure capable de prédire l'évolution de la profondeur d'usure du tube 316LN ou de l'alvéole en 304L. Outre son objectif industriel, ce travail aborde un domaine innovant : l'usure sous sollicitations combinées de fretting et d'impact pour des spectres de chargement aléatoires, avec la prise en compte des effets de tribo-corrosion en milieu REP.
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**Scientific and Industrial Challenges**
Framatome aims to develop new nuclear reactors that are safer and more durable. A critical aspect of nuclear reactor operation concerns the system used to control nuclear reactions in the primary circuit (PWR: Pressurized Water Reactor), ensured by the control rod assemblies. These assemblies consist of nitrided 316LN stainless steel tubes containing boron pellets (neutron absorbers). The tubes move within the fuel assembly and are guided by 304L stainless steel guide cards. However, when immersed in the reactor vessel and subjected to the primary coolant flow, the 316LN tubes experience flow-induced vibrations generated by turbulence. These vibrations produce alternating micro-sliding motions (fretting), combined with impact loading, leading to wear of the 316LN/304L contacts. This impact-fretting wear can result in a loss of functionality of the guidance system and potentially inadequate control of nuclear reactions. It is therefore essential to characterize and model these wear mechanisms. To address this issue, a CIFRE industrial PhD project has been established within the Industrial Chair 'Fretting Wear Design', bringing together the Centre des Matériaux of Mines Paris and Framatome's Research Center (DTI).

**PhD Programme**
The objective of this PhD research is to develop a wear model capable of predicting wear kinetics under variable impact-fretting loading conditions for a 316LN/304L contact, representative of the 316LN tube/304L cell interface in a PWR environment (lithium-borated water at 315 °C and 155 bar). This research combines experimental investigations and numerical wear simulations. Following an extensive literature review, the PhD candidate will analyze the loading spectrum obtained from instrumented in-reactor tests to establish a representative loading path. The first stage will reproduce these loading conditions using the existing IF-1 test rig at the Centre des Matériaux (CDM) [1,2], enabling impact-fretting tests under atmospheric conditions (lithium-borated water at 25–80 °C and 1 bar). An experimental campaign will quantify wear kinetics as a function of impact and sliding energies, leading to the development of an 'impact-sliding' wear model.

The research will then be extended to simulate wear profiles and maximum wear depth using a semi-analytical code [3]. Once calibrated using experimental tests, the model will be extended to random impact and sliding loading conditions. The work will continue using the new IF-2 impact-fretting test rig at CMAT, operating in pressurized water (315 °C and 155 bar). These new data will allow the PhD candidate to investigate the influence of the PWR environment on the wear processes of 316LN and 304L surfaces. The atmospheric model will be refined to account for tribocorrosion effects induced by pressure and temperature. Finally, a multiphysics tribology-materials-corrosion model will be developed and implemented in a wear prediction code capable of predicting the evolution of wear depth in either the 316LN tube or the 304L cell.

Beyond its industrial objectives, this research addresses an innovative field: wear under combined fretting and impact loading with random loading spectra, while investigating tribocorrosion effects in a PWR environment (pressure and temperature effects).
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Début de la thèse : 01/10/2026

Cifre

CIFRE ANRT

Mines Paris-PSL

621 ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

Profil type pour une thèse à MINES Paris: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent. Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) : Ingénieur Mécanique, Matériaux Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant • un curriculum vitae détaillé • une copie de la carte d'identité ou passeport • une lettre de motivation/projet personnel • des relevés de notes L3, M1, M2 • 2 lettres de recommandation • les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation • une attestation de niveau d'anglais
Typical profile for a thesis at MINES Paris: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project. Prerequisite (specific skills for this thesis): Applicants should supply the following : • a detailed resume • a copy of the identity card or passport • a covering letter explaining the applicant's motivation for the position • detailed exam results • two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted • to provide an appreciation of the candidate • Your notes of M1, M2 • level of English equivalent TOEIC to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr