Strain and defects in irradiated materials : a study using X-ray diffraction and diffuse scattering

par Jayanth Channagiri

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux céramiques

Sous la direction de Alexandre Boulle et de Aurélien Debelle.

Le président du jury était Lionel Thomé.

Le jury était composé de Alexandre Boulle, Aurélien Debelle, Andrès Redondo Cubero, Alain Declémy.

Les rapporteurs étaient François Rieutord, Isabelle Monnet.

  • Titre traduit

    Défauts et déformations au sein de matériaux irradiés : Etude par diffraction et diffusion diffuse des rayons X


  • Résumé

    Les faisceaux d'ions, sont communément utilisés dans le cadre de l'étude des matériaux du nucléaire dans le but de reproduire, dans une certaine mesure, les différentes sources d'irradiations auxquelles sont soumis ces matériaux. L’interaction des ions avec la matière induit la formation de défauts cristallins le long du trajet de ces ions, associée à d'importantes déformations au sein de la zone irradiée. L'un des principaux enjeux de l'industrie électro-nucléaire consiste en l'encapsulation, à long terme, des déchets nucléaires. La zircone yttriée (YSZ) est un des matériaux qui pourrait être utilisé comme matrice inerte pour la transmutation des actinides. Par conséquent, la compréhension du comportement d’YSZ sous différentes conditions d'irradiations est d'une importance capitale.Cette thèse est décomposée en deux parties distinctes. Dans la première partie de ce travail, nous avons utilisé plusieurs techniques avancées de diffraction des rayons X (DRX) dans le but de caractériser les défauts et déformations au sein de la zone irradiée des cristaux étudiés. Les profils de déformations et de défauts ont été modélisés par des fonctions B-splines cubiques et les données DRX ont été simulées en utilisant la théorie dynamique de la diffraction couplée à un algorithme de recuit simulé généralisé. Cette démarche a été appliquée au cas des monocristaux d'YSZ irradiés par des ions Au 2+ dans une large gamme de températures et de fluences. Les résultats ont été comparés avec ceux de la spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford en mode canalisé (RBS/C) obtenus pour les mêmes échantillons.La deuxième partie est consacrée au développement d'un modèle spécifique pour calculer la distribution bidimensionnelle d'intensité diffractée par des monocristaux irradiés de grandes dimensions et présentant des distributions de défauts réalistes. Pour atteindre cet objectif, nous avons mis en œuvre une approche de calcul parallèle haute performance (basée à la fois sur l'utilisation de processeurs multi-cœurs et de processeurs graphiques) afin de réduire les durées de calcul. Cette approche a été utilisée pour modéliser les cartographies X de l'espace réciproque de monocristaux d’YSZ présentant des défauts de structure complexe.


  • Résumé

    Ion beams are commonly used in the framework of nuclear materials in order to reproduce, in a controlled way, the different sources of irradiation that these materials are submitted to. The interaction of ions with the material induces the formation of crystalline defects along the path of these ions,associated with high strains in the irradiated region. One of the main issues of the electro-nuclearindustry is the encapsulation of the long-term nuclear waste. Yttria stabilized zirconia (YSZ) is one of the materials that can be used as an inert matrix for the transmutation of actinides and therefore,understanding its behaviour under different conditions of irradiation is of utmost importance.This thesis is divided into two distinct parts. In the first part of this work, we have used advanced X-raydiffraction (XRD) techniques in order to characterize the strain and the damage levels within the irradiated region of the crystals. The strain and the damage profiles were modelled using B-splines functions and the XRD data were simulated using the dynamical theory of diffraction combined with a generalized simulated annealing algorithm. This approach was used to study YSZ single crystals irradiated with Au 2+ ions in a wide range of temperatures and fluences. The results were compared with the RBS/C results obtained for same samples.The second part of the thesis is devoted to the development of a specific model for calculating the two-dimensional XRD intensity from irradiated single crystals with realistic dimensions and defectdistributions. In order to achieve this goal, we have implemented high-performance parallel computing (both multi-processing and GPU-based) to accelerate the calculations. The approach was used to successfully model the reciprocal space maps of the YSZ single crystals which exhibit a complex defect structure.


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