Etudes microstructurales des mécanismes activés sous irradiation aux ions menant au gonflement de l'alliage AIM1

Microstructural evolutions under ion irradiation leading to the swelling of the AIM1 alloy

• Auteur / Autrice : Alice Bermont
• Direction : Alexis Deschamps
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 04/04/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA SACLAY, Laboratoire de Logiciels pour la Physique des Réacteurs
• Jury : Président / Présidente : Aurélie Gentils
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Deschamps, Isabelle Monnet, Bertrand Radiguet, Muriel Veron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Monnet, Bertrand Radiguet

Mots clés

Mots clés libres

Faibles doses d'irradiation

Gaine de combustible

Acier inoxydable austénitique

Irradiation aux ions

Etudes microstructurales

Fuel cladding

Microstructural characterization

Low irradiation dose

Ion irradiation

Stainless austenic steels

Résumé

Dans le cadre des travaux de recherche menés sur les Réacteurs à Neutrons Rapides refroidis au sodium liquide (RNR-Na), le CEA développe un matériau de gainage résistant à des doses d'irradiation élevées, au-delà de 120 dpa, nommé AIM1 (Austenitic Improved Material 1). Son gonflement sous flux de neutrons est le principal paramètre limitant la durée de vie des crayons combustible. Dans ce contexte, la thèse proposée vise à étudier les mécanismes atomiques activés aux premières doses d'irradiation (0-10 dpa) à travers l’évolution de la microstructure d'un acier austénitique AIM1 et d'en faire le lien avec l'état de gonflement du matériau à plus forte dose. Les défauts d'irradiations neutroniques seront simulés par des irradiations aux ions couplées avec l'implantation d'hélium, réalisées à l'aide de la plateforme JANNUS Saclay. Les mécanismes activés sous irradiation seront étudiés à différentes températures, comprises entre 400 et 650°C, semblables aux conditions en réacteur et pour différents taux d'écrouissage du matériau fabriqué en condition industrielle. Les défauts microstructuraux et leur distribution seront étudiés à l'échelle atomique par microscopie électronique en transmission et par sonde atomique tomographique 3D. En parallèle, les lignes de rayonnement X du synchrotron Soleil seront mises à contribution pour identifier et définir la distribution 2D-3D à grande-échelle des nano-précipités et définir l'évolution de l'état de contrainte du matériau sous irradiation.

In the framework of the Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) researches, CEA center designs a fuel cladding material able to resist to high dose up to 120 dpa. This steel is named AIM1 (Austenitic Improved Material 1). The life time of the fuel rod in reactor is principally limited from the neutron irradiation swelling of the cladding austenitic steel. Then the thesis aims to study the atomic mechanisms activated with low irradiation dose (1 to 10 dpa) which contribute to modify the microstructural properties of the material responsible of the swelling resistance under high irradiation dose. Neutron irradiation will be simulated on the JANNUS Saclay platform with ion irradiations coupled with helium implantations. The microstructural modification will be investigated for different irradiation temperatures, between 400 and 650°C, similar to the temperature conditions in SFR reactors and function of the final metallurgical cold-worked states. The nature, the size and the distribution of the microstructural defects will be studied to the atomic resolution by electron transmission microscopy and by 3D atom probe tomography. The X-ray lines of the synchrotron SOLEIL will provide a statistical characterization of the 2D-3D nano-precipitate distribution associated to their nature definition. Also the stress state of the irradiated material and its influence will be studied with this large instrument.