Étude du comportement thermique de l'hélium implanté dans le liner molybdène du Réacteur GFR

Study of the thermal behaviour of helium during and after its implantation into the molybdenum liner of the GFR Reactor

• Auteur / Autrice : Christophe Viaud
• Direction : Nathalie Moncoffre, Gaëlle Carlot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l'énergie atomique. Département d'études des combustible. Laboratoire des Lois de Comportement du Combustible (Cadarache)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation

Molybdène

Bulles

Hélium

Mots clés libres

Implantation

Dynamique d'amas

Relâchement de gaz

Formation de bulles

Modélisation

Équations maitresses

Résumé

Le liner métallique à confiner le matériau combustible des plaques GenIV doit, pour tenir son rôle, supporter « l'agression » des flux de neutrons rapides et d’impuretés implantées (produits de fission, hélium). Le travail de thèse présenté a contribué à la compréhension des mécanismes de fragilisation dans les métaux sous irradiation : il propose un modèle pour la nucléation et la croissance de bulles de gaz tels que l��hélium. L’approche utilisée couple une démarche de modélisation à une démarche expérimentale. Des mesures de relâchement obtenues par les techniques de spectrométrie de masse (TDS) et d’analyse par la réaction nucléaire (NRA) ainsi que des caractérisations par microscopie électronique en transmission (MET) ont été réalisées. Le développement d’un modèle simplifié de dynamique d’amas a permis d’interpréter le couplage entre la dynamique de relâchement de l’hélium et celle des bulles. Ce modèle a permis d’une part, de simuler les expériences d’implantation/récuit à partir d’un jeu de grandeurs physiques cohérentes avec celle de la littérature, et d’autre part, de mettre en évidence un couplage fort entre les concentrations des espèces libres (atomes d’hélium et lacunes) et la composition moyenne des bulles. Les dynamiques singulières de relâchement du gaz observées expérimentalement ont pu être expliquées par le mûrissement d’une population de bulles, initialement « surpressurisées », qui poursuivent leur croissance en réduisant leur concentration totale et leur pression.

The metal liner dedicated to continue the fuel assembly of the Gas Fast Reactor, is intended to resist to a fast neutron flux and the implantation of impurities such as helium and the fission products. This PhD work contributes to the understanding of one of the mechanisms inducing the metal embrittlement under irradiation; it deals with a model that predicts the nucleation and growth of gas bubbles, such as helium, into a metal. The approach of the thesis relies on both theoretical and experimental works. The gas release measurements have been performed with the Nuclear Reaction Analysis (NRA) method and the Thermal Desorption Spectrometry (TDS); the bubbles characterization performed by Transmission Electronic Microscopy (TEM). The development of a simple model for the description of the cluster dynamic (clusters composed by defects and gas atoms) proposes some explanations for the coupling between the dynamics of the helium release and the bubbles evolution. This model enables to simulate the implantation experiments and the following annealing sequences, with a relevant physical dataset and coherent with the literature. Moreover it enhances the strong inference between the species concentration into the bulk (vacancies and helium atoms) and the mean composition of the bubbles. The peculiar dynamics of the gas release observed during the experiments, initially rapid and then significantly reduced , would be due to the ripening of the bubbles, pressurized after the room temperature implantation, which keep on growing and reducing their concentration and internal pressure.