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

par Vinicius Oliveira Cavalcanti

Projet de thèse en Science des Matériaux

Sous la direction de Eric Simoni, Jérôme Roques et de Aurélie Gentils.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut de physique nucléaire d'orsay (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2019 .


  • Résumé

    Les environnements de fusion sont caractérisés par une abondance d'ions hélium énergétiques produits lors de la réaction de fusion et lors de réactions de transmutation nucléaire dans les composants faisant face au plasma. Les matériaux de structure dans les réacteurs de fusion doivent donc pouvoir tolérer de fortes concentrations d'hélium sans dégradation de leurs propriétés mécaniques dans des conditions extrêmes atteignant 200 déplacements par atome et 2 000 ppm d'hélium. La plupart des aciers conventionnels sont incapables de supporter ces conditions à cause de la formation de bulles d'hélium provocant un gonflement, ce qui peut entraîner une fragilisation et une défaillance mécanique. Pour pallier les faiblesses des aciers conventionnels utilisés dans les environnements de fusion, il a été suggéré d'utiliser des alliages ferritiques nano-structurés (NFA), en particulier des aciers renforcés par dispersion d'oxydes (ODS). Ils se caractérisent par une distribution fine de particules d'oxyde de taille nanométrique dans l'acier, qui constituent des obstacles au mouvement des dislocations et sont stables jusqu'à de très hautes températures. Les particules d'oxyde, et plus encore les interfaces oxyde-matrice, devraient jouer un rôle de piégeage pour l'hélium. La forte densité de ces particules devrait conduire à une dispersion des bulles d'hélium et ainsi limiter la formation de cavités de grande taille. Plusieurs expériences ont montré que les aciers ODS sont beaucoup plus résistants au gonflement que leurs homologues sans oxyde, ce qui laisse espérer que ces matériaux satisferont aux critères de conception des futurs réacteurs à fusion. Cette thèse est centrée sur les mécanismes qui régissent à l'échelle atomique le comportement de l'hélium à l'interface oxyde-matrice. Comme il n'existe actuellement aucune source de neutrons disponible capable de reproduire le spectre neutronique intense résultant de la fusion, une approche expérimentale et théorique est utilisée pour prédire les performances du matériau. Dans ce travail, la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ainsi que des simulations utilisant l'algorithme du Monte Carlo cinétique sont effectuées sur la grille de calcul de l'IPNO afin de modéliser le comportement de He dans l'oxyde, dans le fer et à l'interface oxyde / fer. Les travaux expérimentaux sur l'implantation d'ions hélium dans des films minces modèles seront réalisés à l'aide de l'installation JANNuS-Orsay / SCALP afin d'observer par microscopie électronique en transmission (MET) les bulles d'hélium formées (taille, forme, densité) dans l'oxyde, dans le fer, et à l'interface. Les résultats obtenus tant par la modélisation que par les expériences permettront de mieux comprendre les mécanismes qui régissent à l'échelle atomique le comportement de l'He dans les aciers ODS.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    Fusion environments are characterized by an abundance of energetic helium ions that are produced in the fusion reaction as well as via nuclear transmutation reactions in the plasma facing components. Candidate materials for structural applications in fusion reactors must therefore be able to tolerate large concentrations of helium without degradation of their mechanical properties under extreme conditions of up to 200 displacements per atom and 2000 ppm helium. Most conventional steels are unable to sustain these conditions since they suffer from helium bubble as well as void formation and growth (“swelling”) leading to embrittlement and mechanical failure. To overcome the shortcomings of conventional steels for applications in fusion environments, it has been suggested to employ nano-structured ferritic alloys (NFAs), in particular, oxide dispersion strengthened (ODS) steels. They are characterized by a fine distribution of nanometer-sized oxide particles in steel that act as obstacles for dislocation motion and are stable up to very high temperatures. The oxide particles, and even more so the oxide-matrix interfaces, are expected to act as sinks for helium. The very high density of these particles should lead to a fine distribution of helium bubbles and thereby effectively limit the formation of larger supercritical voids that lead to mechanical failure. Several experiments provided evidence that ODS steels are much more swelling resistant than their non-oxide containing counterparts, raising hopes that these materials will eventually satisfy the design criteria for future fusion reactors. This thesis is focused on the mechanisms that govern at the atomic scale the behavior of the oxide-matrix interface with helium, given the importance of this interface in improving swelling resistance. As there is currently no neutron source available that can reproduce the intense neutron spectrum resulting from fusion, a combination of experimental and numerical simulations must be employed to predict the material performance. In this work periodic Density Functional theory (DFT) as well as Kinetic Monte Carlo simulations will be performed on the IPNO computational grid to model the oxide/Iron interface and investigate the possible helium interstitial sites, the helium activation energies, and the He diffusion coefficients in the oxide, in the Iron, and at the interface. Experimental work with helium ion implantation in model thin films will be performed using the JANNuS-Orsay / SCALP facility to observe by Transmission Electron Microscopy (TEM) any helium bubbles formed (size, shape, density) in the matrix, in the oxide, and at the interface. The results obtained in both modelling and experiments will lead to a better understanding of the mechanisms that govern at the atomic scale the interaction of the oxide-matrix interface with helium.