Irradiation aux ions des carbures ZrC et TiC. Effets des pertes d'énergie électronique et nucléaire.

Ion irradiation of carbides ZrC and TiC. Effects of electronic and nuclear energy losses

• Auteur / Autrice : Stéphanie Pellegrino
• Direction : Lionel Thomé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergie nucléaire
• Date : Soutenance le 01/10/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (France). Direction des énergies (Gif-sur-Yvette)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Frederico Garrido
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Thomé, Frederico Garrido, Nathalie Moncoffre, Guy Terwagne, Jacek Jagielski, Sandrine Miro
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Moncoffre, Guy Terwagne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie nucléaire

Carbure de titane

Carbure de zirconium

Irradiation

Mots clés libres

Irradiation

TiC

ZrC

Résumé

Cette étude est orientée sur les céramiques réfractaires des métaux de transition, comme le carbure de titane et de zirconium, envisagées pour leurs caractéristiques de résistance en conditions extrêmes. Ces céramiques seraient soumises à différentes sources d'irradiation (les neutrons, les produits de fission, les désintégrations alpha) dans les futurs réacteurs de génération IV. Les rayonnements rencontrés en réacteur peuvent être simulés par des irradiations externes à l'aide d'accélérateurs de particules, en utilisant des ions variés dans une large gamme d'énergie. Ces instruments permettent de reproduire en conditions contrôlées l'endommagement subi par des les matériaux internes aux centrales nucléaires.Dans un tel contexte radiatif, deux processus majeurs gouvernent l'endommagement des matériaux: les collisions nucléaires induites par les irradiations avec des ions de faible énergie (comme les noyaux de recul) et les excitations électroniques intervenant dans les irradiations avec des ions de grande énergie (comme les produits de fission). La prédominance de l'un ou de l'autre de ces processus est reliée à la masse et à l'énergie de la particule accélérée. Pour comprendre la contribution de chaque effet dans les mécanismes d'endommagement des structures cristallines soumises à des irradiations, nous avons simulé des rayonnements impliquant, d'une part, des ions de basse énergie, i.e. de quelques MeV et, d'autre part, des ions de grande énergie, i.e. de quelques centaines de MeV. Les principaux objectifs de ce travail ont été: (i) d'étudier le comportement de ces deux carbures sous irradiation, (ii) de déterminer les modifications structurales, chimiques et mécaniques induites par les effets nucléaires et électroniques, (iii) de comprendre les mécanismes d'endommagement dans ces carbures dans le régime nucléaire et (iv) d'essayer d'expliquer les résultats expérimentaux par les calculs obtenus en simulation.Pour cela, différentes techniques de caractérisation ont été combinées afin d'expliquer le scénario de ces carbures sous irradiation avec comme référence, le carbure de silicium SiC très étudié par le passé. Ces techniques complémentaires sont: la spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford en mode canalisé (RBS-C), la diffraction des rayons X (DRX), la spectroscopie Raman, la microscopie électronique en transmission (MET) et la nanoindentation. La combinaison de ces techniques expérimentales ainsi que la simulation a permis de conforter nos résultats et les différentes hypothèses formulées. Nous avons pu établir ainsi un scénario pour ces deux types de carbures TiC et ZrC sous irradiation aux ions.

This study is focused on the ceramic refractory transition metals, such as titanium carbide and zirconium envisaged to their strength characteristics under extreme conditions. These ceramics are subject to various sources of radiation (neutrons, fission products, the alpha decays) in future generation reactors IV. Radiation encountered in the reactor can be simulated by external irradiation with particle accelerators, using various ions in a wide energy range. These instruments can reproduce in controlled conditions damage suffered by nuclear materials.In such radiative context, two major processes govern damages into the materials: nuclear collisions induced by irradiation with low energy ions (like the recoil nuclei) and electronic excitations involved in irradiation with high-energy ions (such as fission products). The predominance of one of these processes is connected to the mass and energy of the accelerated particle. To understand the contribution of each effect in the damage mechanisms of crystal structures subjected to irradiation, we simulated radiation involving, on the one hand, low energy ions, i.e. a few MeV and, secondly, high energy ions, i.e. a few hundred MeV. The main objectives of this work were: (i) to study the behavior of these two carbides under irradiation, (ii) determine the structural, chemical and mechanical changes induced by nuclear and electronic effects, (iii) understand the damage mechanisms in these carbides in the nuclear regime and (iv) to try to explain the experimental results obtained by simulation calculations.For this, various characterization techniques were combined to explain the scenario of these carbides under irradiation as a reference, the silicon carbide SiC extensively studied in the past. These additional techniques are: Rutherford Backscattering Spectrometry in channeling mode (RBS-C), the X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Transmission Electron Microscopy (TEM) and nanoindentation. The combination of these experimental techniques and simulation helped to consolidate our results and various assumptions. We were able to establish a scenario for these two types of carbides TiC and ZrC under ion irradiation.