Study of helium accumulation at oxide-iron interfaces in fusion-based materials

par Vinicius Oliveira Cavalcanti

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Aurélie Gentils.

Soutenue le 20-01-2023

à université Paris-Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat , en partenariat avec Faculté des sciences d'Orsay (référent) , Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....) (graduate school) et de Laboratoire de physique des deux infinis Irène Joliot-Curie (2020-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Jérôme Creuze.

Le jury était composé de Marie-Laure David, Yves Pipon, Dominique Costa, Cécile Gautheron.

Les rapporteurs étaient Marie-Laure David, Yves Pipon.

mots clés

• Interface solide/solide
• Diffusion de l'hélium
• Aciers ODS
• Simulation numérique
• MET
• TDS
• Ions hélium
• Hélium -- Diffusion (physique)
• Acier
• Ions -- Implantation
• Microscopie électronique en transmission
• Nanoparticules
• Monte-Carlo, Méthode de
• Théorie de la fonctionnelle de densité
• Dynamique moléculaire

Titre traduit

Étude de l'accumulation de l'hélium aux interfaces oxyde-fer dans des matériaux pour les réacteurs de fusion nucléaire

Résumé

Les aciers renforcés par dispersion d'oxydes (ODS en anglais) sont d'excellents candidats pour les futurs réacteurs nucléaires. Ils résistent bien aux conditions de température et d'irradiation élevées et présentent une bonne performance face au fluage. Les nanoparticules peuvent aussi agir comme pièges pour l'hélium (He) et éviter les fissures dues à l'accumulation de ce gaz. Néanmoins, l'influence de ces oxydes sur le comportement et la diffusion de l'He dans l'acier sont mal connus.L'objectif de cette thèse est une analyse complète du comportement et de la diffusion de l'He dans tous les composants principaux des aciers ODS : matrice ferritique, oxyde d'yttrium (Y₂O₃ ou yttria) et leur interface. Pour cela, des méthodes théoriques et expérimentales sont utilisées d'une manière complémentaire. Les premières sont la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), la dynamique moléculaire (MD) et le Monte-Carlo cinétique (KMC). Les secondes utilisent des implantations ioniques d'He, suivies de caractérisations du comportement de l'He par microscopie électronique en transmission (MET) et spectrométrie de thermodésorption (TDS). Les échantillons utilisés sont : Fe pur, Fe10Cr, Y₂O₃ avec des grains nanométriques et micrométriques, et un système modèle de couches minces Y₂O₃/FeCr représentant l'interface.Le Fe a été modélisé grâce à la DFT et le KMC pour calculer l'expression du coefficient de diffusion de l'He. Il diffuse fortement à l'intérieur du Fe avec une énergie d'activation de 0,06 eV. La présence de chrome n'a pas modifié les résultats de manière significative, et n'a pas été considérée dans la suite. Toutefois, les lacunes ont joué un rôle en réduisant la diffusion, avec une énergie d'activation de 2,35 eV. Cela provient du pouvoir d'accommodation des lacunes de Fe, où une monolacune peut accommoder entre 10 à 20 He. L'He a été observé également par MET. Les bulles étaient petites, avec un rayon d'environ 0,7 nm, et aucune différence notable n'a été observée entre le Fe10Cr et le Fe pur. Enfin, la TDS a mis en évidence deux mécanismes principaux de désorption de l'He, et le Cr a joué un rôle en retardant la désorption de l'He. Un modèle, développé sur la base de la DFT, est en bon accord avec les données expérimentales.La même méthodologie a été appliquée à l'Y₂O₃. Les sites d'insertion de l'He ont montré une diffusion interstitielle presque 1000 fois inférieure à celle du Fe à 1000 K. L'He semble aussi se disperser sans accumulation. Nous n'avons pas observé de bulles d'He par MET : la dispersion de l'He dans le matériau a évité la formation de bulles de taille visibles par notre microscope. Avec la TDS, nous avons montré un mécanisme simple où la désorption vient surtout du dépiégeage des différents sites interstitiels. Les deux types d'échantillons ont montré un comportement similaire, avec une désorption plus précoce pour celui avec les nanograins (diffusion aux joints de grains). Un modèle a été établi pour la diffusion.Pour l'interface, le meilleur modèle DFT est composé de vide, avec les 2 couches les plus externes gelées et 6 couches pour le Fe et 4 pour l'Y2O3. Ensuite, les énergies d'insertion de l'He et les chemins de migration ont été calculés, montrant que la configuration la plus stable est celle dans l'Y₂O₃ à côté de l'interface. Le matériau modèle a été implanté avec de l'He à différentes températures. Les bulles d'He sont plus grandes autour de l'interface, et sont présentes surtout autour d'elle et du Fe. Elles ont tendance à être un peu plus grandes avec l'augmentation de la température.En résumé, le comportement de l'He a été caractérisé dans les différents systèmes composant les aciers ODS. L'He tend à être plus mobile dans le Fe (sauf lorsque ses lacunes le piègent), diffuse plus lentement dans l'Y2O3 en étant dispersé à l'intérieur de celui-ci, et est plus stable autour de l'interface. Ce comportement tend à confirmer le potentiel des aciers ODS d'être utilisés dans les futurs réacteurs.

mots clés

• Solid/solid interface
• Helium diffusion
• ODS steels
• Numerical simulation
• TEM
• TDS

Résumé

Oxide dispersion strengthened (ODS) steels are good candidates for future nuclear reactor applications (fission and fusion). They perform well at high pressure, temperature (T) and irradiation conditions and have higher creep performance at elevated T. It is also believed that the oxide nanoparticles dispersed in the ferritic matrix may act as trapping centres for helium (He) and avoid cracking due to this gas accumulation inside the matrix. However, the influence of this dispersion and the mechanism of He behaviour and diffusion in the steel is not yet well known.This thesis's objective is a thorough analysis of the He behaviour and diffusion in all the main components of the ODS steels: iron (Fe) and iron-chromium alloy (FeCr) for the matrix, yttrium oxide (Y₂O₃ or yttria) for the nanoparticles, and their interface. For this, both theoretical and experimental methods are employed in a complementary way. The first consists of theoretical simulations using density functional theory (DFT), molecular dynamics (MD) and kinetic Monte-Carlo (KMC). The second is based on He ion implantations, followed by experimental characterisations of the He behaviour by transmission electron microscopy (TEM) and thermo-desorption spectrometry (TDS). The samples employed were high-purity Fe and Fe10Cr, high-purity Y₂O₃ with nanometric and micrometric grains, and a model bilayer Y₂O₃/Fe10Cr representing the interface.Fe was modelled using DFT and KMC to calculate the He diffusion coefficient expression. It was seen that He diffuses fast inside Fe with an activation energy of 0.06 eV. The presence of chromium did not change the results significantly, so it was not considered in the following. Inversely, vacancies played a vital role by reducing the diffusion, with an activation energy of 2.35 eV. This comes from the Fe vacancy accommodation power, where a monovacancy may accommodate 10 to 20 He atoms, responsible for the He bubbles nucleation process. This result was observed using TEM. The bubbles observed were tiny with roughly 0.7 nm radius, and no significant difference between Fe10Cr and pure Fe was observed. Finally, the TDS evidenced 2 main mechanisms of He desorption depending on the fluence of implanted He. Cr played a role by delaying the He desorption. A model was developed based on the DFT that fitted well with the experimental data, corroborating the different methods.The same methods were applied to Y₂O₃. The higher He insertion sites showed roughly 1000 times lower interstitial diffusion than Fe at 1000 K. He atoms tend to be distributed inside the material instead of accumulating in a specific site. We could not observe any He bubbles using TEM, possibly due to the He dispersion, so it was too small for our microscope (below 1 nm diameter). With TDS, we showed a simple mechanism where He release may come primarily from leaving the different interstitial sites. The nanometric grains showed similar behaviour to the micrometric ones, with earlier desorption, probably coming from the grain boundaries diffusion. A model was also developed based on the TDS data.The interface between the materials was modelled using DFT, with an optimised interface model with vacuum, the 2 outermost layers frozen, and 6 layers for Fe and 4 for Y₂O₃. Then, the He insertion energies and migration pathways were calculated, showing the stablest configuration to be the one in Y₂O₃ next to the interface. Experimentally, the interface bilayer model was implanted with He at different T. The He bubbles are bigger around the interface, primarily visible around them and Fe. They tend to be slightly bigger with the T increase.In summary, He behaviour was characterised for the different components of ODS steels. He tends to be more mobile in Fe (except when its vacancies trap it), diffuses slower in Y₂O₃, being dispersed inside it, and is more stable around the interface. This behaviour tends to confirm the potential for ODS steels to be used in future reactors.