Thèse soutenue

Etude du comportement thermique et sous irradiation du lithium implanté dans le carbure de bore B4C

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Auteur / Autrice : Mohand-Ouyahia Bousseksou
Direction : Nathalie MoncoffreGaëlle Gutierrez
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des matériaux
Date : Soutenance le 15/12/2022
Etablissement(s) : Lyon 1
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
Jury : Président / Présidente : Patrick Nédélec
Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Moncoffre, Gaëlle Gutierrez, Alexandre Maître, Frederico Garrido, Sandrine Miro
Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Maître, Frederico Garrido

Résumé

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Le carbure de bore B4C est une céramique réfractaire ultradure. Il est utilisé comme absorbeur de neutrons pour le contrôle des réacteurs nucléaires et la protection des installations dans la plupart des types de réacteurs. Lorsque le carbure de bore est irradié en réacteur, de grandes quantités d’hélium et de lithium (jusqu’à environ 1022/cm3) sont produites en raison de la réaction d’absorption neutronique 10B(n,α)7Li. Le comportement de l’hélium est relativement bien compris. Il est en grande partie retenu, jusqu’à haute température, au moins 1200 °C, sous forme de bulles fortement pressurisées, conduisant au gonflement, puis à la microfissuration du matériau. A contrario, très peu de résultats sont disponibles concernant le comportement du lithium et les mecanismes de diffusion associés. Dans ce contexte, l’objectif de notre étude est d’étudier la diffusion thermique du lithium implanté dans le carbure de bore et de comprendre l’effet du dommage balistique sur cette diffusion (résultant en réacteur des interactions élastiques avec les neutrons rapides). Pour cela, des échantillons de B4C de haute densité ont été préparés par frittage SPS de différentes poudres, puis implantés en Li à température ambiante à une énergie de 170 keV à différentes concentrations (1×1014 et 1×1016 Li/cm2). Des traitements thermiques dans une gamme de températures entre 500 et 800 °C ont été réalisés pour activer la diffusion du lithium. Les profils de concentration de Li en fonction de la profondeur ont été obtenus avant et après chaque traitement thermique grâce à la technique de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS). L'évolution du dommage a été suivie par spectroscopie Raman. A partir de l'élargissement des profils de Li après traitements thermiques dans un matériau à très gros grains, des coefficients de diffusion apparents ont été déduits. Le diagramme d'Arrhenius résultant nous a permis de déterminer une énergie d’activation proche de 2 eV. La valeur de l’énergie d’activation obtenue a été mise en regard de celles calculées dans la littérature. On constate des valeurs énergie d’activation très différentes. Ces disparités peuvent être expliquées par des conditions expérimentales très différentes. Ensuite, en analysant un matériau à microstructure très fine, nous avons mis en évidence une diffusion fortement accélérée de Li le long des joints de grains. Pour la fluence la plus faible de Li, des défauts d'irradiation ont également été créés dans la zone implantée par une post-irradiation à température ambiante avec des ions Au de 10 MeV à différente fluences (1×1014 et 1×1015 Au/cm2). Nous avons montré que le dommage balistique introduit par cette irradiation conduit à un piégeage efficace de Li. Plus le dommage est important, plus le piégeage de Li est élevé.