Projet ANR-14-CE07-0001 – EPigRAPH : Propriétés élémentaires des défauts d’irradiation dans les métaux cubiques centrés mises en évidence par implantation d’hélium
Programme : Produits (conception, procédés et matériaux) (DS0303) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Hélène LEFAIX-JEULAND (Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives - Direction de l'Energie Nucléaire - Direction déléguée aux Activités Nucléaires de Saclay - Département des Matériaux pour le Nucléaire - Service de Recherches de Métallurgie Physique)
Partenaires : Divers public; Groupe d'Études de la Matière Condensée; Institut de Recherche de Chimie Paris; Laboratoire de Physique des Solides
Montant : 268200.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Les matériaux de structure des réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiation sévères, donnant lieu à des modifications de leurs propriétés mécaniques (e.g. un durcissement) et à des variations dimensionnelles (e.g. le gonflement des aciers austénitiques). Il est important de comprendre et prédire les mécanismes sous-jacents pour assurer la sécurité des centrales dans le cadre de l’allongement de leur durée de vie. De tels effets résultent de la création de lacunes, d’auto-interstitiels et d’amas de défauts sous irradiation neutronique. Par diffusion thermique dans la matrice, les défauts ponctuels peuvent disparaître aux puits (joints de grains, surfaces, dislocations), se recombiner avec leur anti-défaut ou s’agglomérer avec d’autres défauts. La microstructure qui en résulte est constituée de petits amas tels que les boucles de dislocation et les cavités, qui piègent les dislocations, conduisant au durcissement. De plus, les neutrons induisent des réactions de transmutation qui produisent de l’hélium. Ce dernier peut interagir avec les défauts ponctuels et les amas, en particulier s’ils sont de type lacunaire, ce qui affecte leurs propriétés énergétique et cinétique et donc leur effet sur l’évolution des propriétés du matériau. Mieux comprendre comment ces amas se forment ainsi que leur évolution temporelle est essentiel pour appréhender la réponse du matériau à l’irradiation. Malheureusement il est en général impossible d’étudier seulement un type de défaut expérimentalement, car les autres amas toujours présents jouent sur la cinétique via l’absorption et l’émission de défauts ponctuels.
Récemment, nous avons trouvé un moyen d’étudier uniquement les boucles de dislocation interstitielles dans le fer pendant un recuit isochrone réalisé à partir de la température ambiante, en les faisant croître par un mécanisme de mûrissement d’Ostwald piloté par l’échange de lacunes. L’idée est d’implanter de l’hélium à une fluence et une énergie appropriées pour neutraliser l’émission de lacunes par les cavités, qui sinon perturberait le mûrissement. Cette expérience permet également d’étudier la thermodynamique des bulles d’hélium. Le projet est basé sur cette méthodologie qui sera appliquée dans trois métaux de structure cubique centrée (Fe, V et Ta). EPIGRAPH a deux objectifs principaux. Le premier est de piloter la croissance des boucles et d’un nouveau type d’amas interstitiels tridimensionnel, appelé amas C15. La température à laquelle les boucles croissent pendant le recuit isochrone est surtout sensible à l’énergie libre d’activation pour la formation et la migration de la lacune. La mesure de cette température donnera une estimation de cette quantité dans les métaux considérés. En outre, nous essaierons de faire croître les amas C15 en modifiant les conditions d’irradiation, ce qui est la partie la plus ambitieuse du projet. En effet, nous avons récemment prédit la forte stabilité des amas C15 dans le fer par calculs ab initio, mais jusqu’à présent aucune preuve expérimentale n’existe. La croissance des amas C15 pendant un recuit faciliterait leur observation par microscopie électronique à transmission. Le second objectif est d’étudier les propriétés des bulles, du point de vue de leur contenu en hélium et de leur stabilité thermique. Une collaboration étroite est prévue entre les expériences et les simulations aux différentes échelles, de l’ab initio et des calculs de dynamique moléculaire pour spécifier les conditions d’irradiation, à la dynamique d’amas pour simuler les expériences de recuit. De plus la validité des calculs de dynamique d’amas sera évaluée par les caractérisations réalisées sur les états implantés et recuits, augmentant son caractère prédictif. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet devraient donner un éclairage sur les propriétés des petits amas produits par irradiation neutronique et conduire à une meilleure compréhension des phénomènes provoqués par l’irradiation comme le durcissement.