Étude des modifications structurales induites dans le carbure de bore B4C par irradiation aux ions dans différents domaines d’énergie

Structural modifications induced in boron carbide B4C by ion irradiation at different energy ranges

• Auteur / Autrice : Guillaume Victor
• Direction : Nathalie Moncoffre, Yves Pipon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 09/12/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : David Rodney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Pradeilles
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Simon, Isabelle Monnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amorphisation

Température

Irradiation

Carbure de bore

Mots clés libres

Carbure de bore

Irradiation

Temperature

Modifications structurales

Amorphisation

Microspectrométrie Raman

MET

Boron carbide

Irradiation

Temperature

Structural modifications

Amorphisation

Raman spectrometry

TEM

Résumé

Le carbure de bore B4C est envisagé en tant qu'absorbeur de neutrons dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides et à caloporteur sodium, RNR-Na, de génération IV. Cette filière de réacteur constitue aujourd'hui la référence pour l'avenir du nucléaire en France. Ainsi, un premier concept de réacteur RNR-Na, nommé ASTRID, devrait être construit aux alentours de 2025. L'objectif de notre étude est de comprendre, d'un point du vue fondamental, les effets induits par les irradiations aux ions, sur la structure cristallographique de B4C, dans différents domaines de pouvoirs d'arrêt. Pour cela, des échantillons de B4C, frittés par Spark Plasma Sintering (SPS) au SPCTS de Limoges, ont été irradiés par des ions de différentes natures et de différentes énergies, nous permettant de favoriser: (i) le pouvoir d'arrêt nucléaire Sn, afin d'induire un endommagement dit balistique dans le matériau, ou (ii) le pouvoir d'arrêt électronique Se, pour induire un endommagement dit électronique. Les irradiations en régime balistique ont été réalisées à l'aide d'ions C+, Ar+ et Au+ à des énergies inférieures au MeV, sur le VdG 4 MV de l'IPNL et auprès de la plateforme JANNuSOrsay. Les modifications structurales de B4C dans des gammes d'endommagement compris entre 0 et 9 dpa ont ainsi pu être étudiées. Les irradiations en régime électronique ont été effectuées par des ions S9+ et I9+ de 60 et 100 MeV sur l'accélérateur Tandem de l'IPNO. L'impact des excitations électroniques sur B4C à des pouvoirs d'arrêt électronique compris entre 4 et 15 keV.nm-1 a été déterminé. Afin d'étudier également les effets couplés de l'irradiation et de la température, toutes les irradiations ont été réalisées à température ambiante (RT), à 500°C et à 800 °C. Les caractérisations microstructurales des échantillons irradiés ont été effectuées principalement par microspectrométrie Raman au CEA Saclay et par Microscopie Electronique en Transmission (MET) in situ à JANNuS-Orsay. Nos études ont permis de mettre en évidence un seuil d'amorphisation du B4C dans les deux régimes d'endommagement à RT. En régime balistique, l'amorphisation du matériau est atteinte pour un taux de 9 dpa environ. En régime électronique, un pouvoir d'arrêt de 9 keV.nm-1 a permis de mettre en évidence une amorphisation du matériau induite par la formation de traces latentes nanométriques amorphes, et leur recouvrement à hautes fluences. De plus, nous avons également montré que la température permettait de limiter l'endommagement dès 500°C dans B4C, voire de l'inhiber presque totalement à 800°C

Boron carbide B4C is a material considered as neutron absorber for the Sodium Fast reactors SFR of the fourth generation. This type of reactor is the reference for the future of the nuclear technology in France. A first prototype of SFR, called ASTRID, should be built around 2025. The aim of this study is to understand, from a fundamental point of view, the effects induced by ion irradiation on the crystallographic structure of B4C, in different energy ranges. So, boron carbide samples were sintered by Spark Plasma Sintering (SPS) technique at the SPCTS laboratory in Limoges (France) and then irradiated with ions of different natures and energies, favoring: (i) the nuclear stopping power, creating ballistic damage in the material, or (ii) the electronic stopping power, creating mainly electronic damage. For the irradiations in the ballistic regime, we used C+, Ar+ and Au+ ions with energies below 1 MeV, on the accelerator VdG 4 MV of the IPNL and on the JANNuS-Orsay plateform. The structural modifications of B4C were studied between 0 and 9 dpa. The irradiations in electronic regime were performed with S9+ and I9+ ions with energies of 60 and 100MeV, at the 15 MV Tandem accelerator of the IPNO. The electronic excitations values corresponding to those conditions are ranging between 4 and 15 keV.nm-1. The irradiations were carried out at room temperature, 500°C and 800°C to study the coupled effects of temperature and irradiation. The structural characterizations of the samples after irradiation were performed by Raman spectrometry at CEA Saclay and by in situ Transmission Electron Microscopy at the JANNuS-Orsay facility. Our study demonstrated the existence of an amorphisation threshold in boron carbide in both irradiation regimes at room temperature. In the ballistic regime, the amorphisation of the material is reached around a value of 9 dpa. In the electronic regime, from a stopping power in between 9 and 10 keV.nm-1 an amorphisation process, induced by the formation of latent tracks and their overlapping at high fluences was observed. Moreover, at 500°C, we showed that the temperature slowed down the damage induced by the irradiation in B4C, and almost totally prevented it at 800°C