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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46 Les matériaux pour le nucléaire Figure 4. Fractographie d’une particule de combustible TRISO constituée d’un noyau de matière fissile UO 2 enrobé de quatre couches successives : pyrocarbone poreux, pyrocarbone dense, SiC et pyrocarbone dense. Observation microstructurale et vérification de la composition par microscopie électronique à balayage (MEB) couplée à l’analyse chimique (fluorescence X). CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 entraînent une restructuration des céramiques, conduisant à la formation d’une cavité centrale et à un relâchement de la quasi-totalité des gaz de fission (> 90%) dans le plenum de l’aiguille combustible. Le combustible à particules est un autre concept de combustible. Il est envisagé pour les réacteurs à gaz à haute (RHT) et très haute température (RTHT) fonctionnant dans un spectre de neutrons thermiques. Ce combustible est constitué d’une particule milli - métrique de matériau fissile entourée par plusieurs couches de carbone et de composés réfractaires de type carbure de silicium (SiC) ou carbure de zirconium (ZrC) ; figure 4. La première couche enrobante peut être considérée comme un plenum qui assure la rétention des gaz de fission dans la porosité. Les couches suivantes ont pour fonction de fermer cette porosité. Ces exemples illustrent l’importance d’obtenir un combustible présentant une porosité contrôlée. De plus, pour les réacteurs de quatrième génération, les carbures d’actinides sont envisagés en tant que combustible. Dans cette perspective, il pourrait être pertinent d’étudier dès à présent comment texturer ces carbures pour les rendre mésoporeux. Piéger les défauts des matériaux soumis à de fortes irradiations Lorsqu’un matériau est soumis à de fortes irradiations, la taille des défauts étendus (amas de défauts ponctuels, boucles de dislocation) liés aux déplacements par atome induits (dpa) est de l’ordre du nanomètre, grandeur comparable à celle des cristallites dans un matériau nano-organisé. L’utilisation de matériaux nano-organisés apparaît alors comme une voie prometteuse pour canaliser ces défauts. Les interfaces agiraient tels des pièges pour les défauts, diminuant les contraintes dues aux irradiations. Une illustration de cet argument est donnée à la figure 5, où des zones de grains nano - métriques irradiées ne subissent aucune amorphisation, contrairement aux cristallites micrométriques. 100 μm noyau de combustible UO 2 pyrocarbone poreux (tampon) pyrocarbone interne dense SiC pyrocarbone externe dense CEA P.Stroppa/CEA ions Kr couche supérieure irradiée couche inférieure irradiée 100 nm 100 nm surface substrat non irradié ions Kr surface couche irradiée substrat non irradié Figure 5. Images de microscopie électronique à transmission couplées à des clichés de diffraction de matériaux MgGa 2 O 4 à grains nanométriques (en haut) et à grains micrométriques (en bas) irradiés aux ions krypton (Kr 2+) à 300 keV. (reproduit avec la permission de TONG D. SHEN, SHIHAI FENG, MING TANG, JAMES A. VALDEZ, YONGQIANG WANG, and KURT E. SICKAFUS « Enhanced radiation tolerance in nanocrystalline MgGa 2 O 4 », Applied Physics Letters 90, 263115 (2007). 2007 American Institute of Physics) Étudier les interactions rayonnement-matière En parallèle, la compréhension des interactions rayonnement-matière peut être mise à profit pour envisager des réactions radio-induites à la surface des matériaux mésoporeux ou aux interfaces développées par les matériaux méso-organisés (hybrides oxydes/graphite par exemple). Ils constituent alors des matériaux de choix pour l’étude des interactions aux interfaces, telle la migration d’atomes, et l’établissement de critères de seuil de sensibilité pour effectuer des réactions chimiques radio-induites, comme la synthèse de SiC à l’interface silice-graphite. Les réalisations et les perspectives présentées ici n’ont pas pour ambition d’être exhaustives mais simplement de montrer que les matériaux mésoporeux ont leur place parmi la gamme des matériaux d’intérêt pour le nucléaire. > Xavier Deschanels, Frédéric Goettmann, Guillaume Toquer, Philippe Makowski et Agnès Grandjean Institut de chimie séparative de Marcoule (ICSM) Unité mixte de recherche CEA-CNRS-UM2-ENSCM Laboratoire nanomatériaux et énergie Site de Valrhô-Marcoule
EXPLORER LES SURFACES La microscopie à force atomique : une technique puissante et polyvalente pour étudier les matériaux I nventées dans les années 80, les microscopies à sonde locale, comme la microscopie à effet tunnel (STM pour Scanning Tunneling Microscopy) ou à force atomique (AFM pour Atomic Force Microscopy), fournissent des informations uniques sur la surface d’une grande diversité de matériaux. L’aire typique explorée par ces techniques s’étend de 2x2nm 2 à 100 x 100 μm 2 dans des environnements variés tels que l’air, le vide ou dans un liquide, et pour des températures s’échelonnant de quelques mK à 1000 K. Au-delà de ces conditions expérimentales peu contraignantes, l’intérêt de ces instruments pour la science des matériaux repose sur le fait qu’ils renseignent sur la topographie à des échelles comparables aux tailles accessibles par différents types de simulations. En particulier, des modèles atomiques peuvent être directement confrontés aux résultats expérimentaux puisque ces microscopies permettent d’atteindre une résolution atomique. De plus, comme les micro - s copistes accèdent à la topographie dans l’espace réel, ces nouvelles techniques s’avèrent extrêmement puissantes pour étudier les défauts superficiels. Dans le cas de l’AFM s’ajoute la capacité de dresser une cartographie de la varia tion d’une propriété locale spécifique de l’échan tillon (propriété électrique, magnétique, thermique...) simultanément à sa topographie. Sur quel principe fonctionne un AFM ? Un microscope à force atomique est constitué d’une sonde (ou pointe) fixée à l’extrémité libre d’un ressort de raideur connue, d’un système d’asservissement et d’un système de balayage qui déplace la sonde le long de la surface de l’échantillon. L’interaction entre la pointe et la surface (forces ou gradient de forces) est maintenue égale à une consigne en ajustant continûment la distance qui les sépare à l’aide d’une boucle d’asservissement. Une image AFM correspond donc à une nappe de constante interaction obtenue en déplaçant la sonde le long de la surface. Cette nappe reflète généralement la topographie de l’échantillon qui peut être un matériau isolant ou conducteur (1). L’apport de l’AFM aux sciences des matériaux est illustré par plusieurs exemples. Observer les défauts associés à l’irradiation d’un cristal Cet exemple se rapporte aux premières observations de dégâts d’irradiation dans un matériau isolant électrique, par conséquent difficilement observable à l’aide de microscopes électroniques conventionnels (1) Pour une description plus complète de l’AFM, voir Clefs CEA N°52, Les microscopies à sonde locale : contact et manipulation, Été 2005, p.91-95. Microscope à force atomique (AFM) installé au Service de physique et chimie des surfaces et interfaces du CEA/Saclay. À la fois simple et polyvalent, cet outil permet d’explorer la surface de tous types de matériaux avec une haute résolution. P.Stroppa/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 47



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