Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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36 Les matériaux pour le nucléaire SIMULER EXPÉRIMENTALEMENT Lignes de faisceau de Japet (à gauche), d’Yvette (au centre) et d’Épiméthée (à droite) convergeant vers la chambre d’expériences triple-faisceau localisée derrière le mur. d’ions d’éléments électronégatifs tels que le chlore ou l’iode, impossibles à obtenir avec la source RCE, ou encore des faisceaux d’ions d’éléments comme le silicium ou l’or, pour lesquels les composés utilisables dans la source RCE ne conviennent pas. L’accélérateur Yvette est pourvu d’une source d’ions radiofréquence capable de fournir des faisceaux de protons (1 H +), de deutérons (2 H +), d’hélions-3 (3 He +) et d’hélions-4 (4 He +). L’installation d’Orsay comprend un accélérateur mixte de 2 MV (Aramis) et un implanteur ionique de 190 kV (Irma) couplés à un microscope électronique à transmission de 200 kV. Ce dispositif permet d’observer in situ l’évolution de la microstructure de l’échantillon pendant son irradiation en configuration simple ou double-faisceau. Comment les ions simulent les neutrons Une expérience-type d’irradiation en configuration triple-faisceau répond, par exemple, aux exigences imposées par les applications dans le domaine de la fusion. Le faisceau d’ions lourds multichargés d’Épiméthée simule les déplacements d’atomes créés dans le matériau par les neutrons. Yvette apporte l’hélium (4 He) et Japet l’hydrogène (1 H) générés par les réactions nucléaires (n,) et (n, p). Ces irradiations permettent d’étudier indépendamment le rôle du taux d’endommagement ou fluence, de la vitesse d’endommagement ou flux, de la température d’irradiation, de la concentration totale de gaz introduit (4 He et 1 H) et du parcours des ions au sein du matériau. La caractérisation Une étape-clé de l’étude consiste à carac - té riser aussi finement que possible l’échantillon irradié. Cette caractérisation – structurale, chimique ou encore mécanique– peut être menée pendant l’irradiation CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 (insitu) ou bien immédiatement à son issue (ex situ). La science des matériaux dispose aujourd’hui d’un arsenal de techniques d’analyse physicochimique très complet telles la microscopie électronique, la sonde atomique tomographique, la diffraction et l’absorption des rayonsX... Les faisceaux d’ions légers –protons (1 H +), deutérons (2 H +), hélions-3 (3 He +) et hélions-4 (4 He +) – offrent également la possibilité de caractériser in situ des profils de concentration par rétrodiffusion Rutherford (1), recul élastique (2) ou réaction nucléaire. facteur d’échelle x 1 x 1,5 x 5 vierge recuit 1000 °C, 2 h irradié 200 400 600 800 1000 1200 1 400 1600 Le comportement sous irradiation de deux matériaux avancés Deux exemples illustrant l’apport de la plateforme JANNUS à la compréhension du comportement sous irradiation des matériaux nucléaires sont présentés. Le premier se rapporte au carbure de silicium hexagonal (6H-SiC) et le second à un alliage ODS ferritique/martensitique de composition pondérale Fe-16Cr renforcé par une dispersion de nanoparticules d’oxyde d’yttrium (Y 2 O 3) à hauteur de 0,37%. Le monocristal 6H-SiC a été irradié par un faisceau d’ions nickel (58 Ni +) de 0,92 MeV à température ambiante à une dose supérieure au seuil d’amorphisation. La figure 1 (1) Rétrodiffusion Rutherford (en anglais RBS, Rutherford Backscattering Spectrometry) : cette technique consiste à analyser la rétrodiffusion d’hélions-4 envoyés sur un échantillon. Elle permet d’accéder à la composition locale de l’échantillon au voisinage de sa surface. (2) Recul élastique (en anglais ERDA, Elastic Recoil Detection Analysis) : cette technique consiste à analyser le recul des atomes d’une surface consécutivement à leur collision avec des hélions-4. Elle permet d’accéder à la composition locale de l’échantillon au voisinage de sa surface. Figure 1. Spectres Raman et micrographies d’un monocristal 6H-SiC irradié par un faisceau d’ions nickel (Ni +) de 0,92 MeV à température ambiante à une dose supérieure au seuil d’amorphisation, du monocristal vierge et de l’échantillon recuit à 1000 °C pendant 2 heures. Ce travail est le fruit d’une collaboration entre les trois services du Département des matériaux pour le nucléaire (J.-M. Costantini,L. Gosmain et S. Miro). P.Stroppa/CEA déplacement Raman (cm -1) 50 μm 50 μm S. Miro/CEA
Poste de conduite et de surveillance des trois accélérateurs de la plateforme JANNUS. montre les spectres Raman du monocristal vierge, de l’échantillon irradié et de l’échantillon recuit à 1000 °C pendant 2 heures. Après irradiation, les bandes caractéristiques du SiC cristallin disparaissent totalement et des bandes correspondant aux liaisons Si–Si et C–C apparaissent. Le recuit conduit à une restauration du système cristallin initial caractérisée par la réapparition des bandes Si–C et une diminution de l’intensité des bandes Si–Si et C–C. De plus, cette recristallisation s’accompagne d’un phénomène de « fragmentation » de la surface. L’alliage ODS, quant à lui, a été irradié à 425 °C en mode double-faisceau par des ions fer (56 Fe 8+) de 24 MeV et par des hélions-4 (4 He +) dispersés en énergie entre 1,7 et 1,1 MeV grâce à des films minces de graphite. Le taux d’endommagement est de 30dpa et la concentration d’hélium introduit de 0,0025% atomique/dpa. Les images de microscopie électronique à transmission de la figure 2 mettent en évidence la formation d’une distribution bimodale (à deux composantes en taille) de bulles d’hélium dans une zone de faible densité en nanoparticules d’oxyde d’yttrium. En outre, il est manifeste matrice matrice 10 nm 10 nm Figure 2. Images de microscopie électronique à transmission montrant la distribution des bulles d’hélium dans un acier ODS Fe-16Cr irradié en mode double-faisceau. L’image de gauche révèle la présence de 4 bulles d’hélium (3 à 5 nm de diamètre) associées à un grain d’oxyde de 10 nm de diamètre visible sur l’image de droite. Les cavités de forme allongée, quant à elles, résultent de la coalescence de bulles de plus petite taille. Ce travail est le fruit d’une collaboration entre le Lawrence Livermore National Laboratory, États-Unis (L. Hsiung, M. Fluss, S. Tumey, J. Kuntz, B. El Dasher, M. Wall, W. Choi), l’Université de Kyoto, Japon (A. Kimura) et le CEA. P.Stroppa/CEAL. Hsiung/LLNL densité surfacique (m -2) calcul 10 16 expérience 10 14 10 12 10 10 10 8 0,01 0,1 1 10 100 1000 10 18 durée d’irradiation (s) Figure 3. Variation de la densité surfacique des boucles d’interstitiels formées dans du tungstène de haute pureté irradié par des hélions-4 en fonction du temps. La comparaison entre la densité calculée (losanges) et les mesures expérimentales (carrés) montre un excellent accord. Ce travail est le fruit d’une collaboration entre les universités japonaises de Kyushu et de Kyoto (Y. Watanabe, H. Iwakiri, N. Yoshida, K. Morishita et A. Kohyama). que les nanoparticules d’oxyde jouent le rôle de piège vis-à-vis des bulles d’hélium. Confronter l’expérience et la simulation numérique Les études de ce type ont un double but : comprendre le comportement des matériaux sous irradiation, et tester la capacité des théories et de la modélisation multi échelle à rendre compte des obser va tions expérimentales. La figure 3 donne un exemple signi ficatif de la confrontation entre expérience et simulation numérique dans le cas de la formation de boucles d’interstitiels dans du tungstène (W) de haute pureté, irradié par des hélions-4 (4 He +) de 8keV à la tempé rature ambiante avec un flux de 2,6.10 13 ions/cm 2/s. Afin de calculer la densité surfacique de boucles d’inter stitiels, il est nécessaire d’ajuster le paramètre corres pondant à l’énergie de liaison d’un atome interstitiel de tungstène avec une paire constituée d’un atome d’hélium et d’une lacune de tungstène. Lorsque la valeur de ce paramètre est fixée à 0,7 eV, comme le suggèrent des calculs de dynamique moléculaire publiés antérieurement, l’accord entre observations expérimentales et simulation devient excellent. > Patrick Trocellier, Sandrine Miro et Yves Serruys Département des matériaux pour le nucléaire Direction de l’énergie nucléaire CEA Centre de Saclay CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 37



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