Effets d’irradiation et diffusion des produits de fission (césium et iode) dans le carbure de silicium

par Aurégane Audren

Thèse de doctorat en Milieux denses, matériaux et composants

Sous la direction de Abdenacer Benyagoub.

Soutenue en 2007

à Caen .

mots clés

• Carbure de silicium
• Irradiation
• Ions -- Implantation
• Recuit des cristaux
• Amorphisation
• Ions -- Diffusion

Résumé

Le carbure de silicium est un matériau envisagé pour le conditionnement du combustible dans les réacteurs nucléaires de quatrième génération. Ce travail a pour objectif d’étudier la capacité de confinement des produits de fission et l’évolution de la structure de ce matériau sous les effets combinés de la température et du rayonnement. Les implantations d’ions de basse énergie d’analogues stables des produits de fission Cs et I dans des monocristaux de 6H-SiC ont été réalisées sur l’implanteur ou l’accélérateur du CSNSM. Les irradiations avec des ions lourds de haute énergie ont été effectuées au GANIL. L’évolution du profil des ions implantés et de la structure du cristal a été étudiée par RBS et canalisation. Des informations complémentaires ont été apportées par la spectroscopie d’absorption UV-visible. Les implantations d’ions de basse énergie à température ambiante conduisent à l’endommagement rapide du cristal. Par contre, les implantations réalisées à des températures relativement élevées (600 °C) ne génèrent qu’un faible taux de désordre dans le cristal. Les irradiations avec des ions lourds de haute énergie n’endommagent pas les cristaux de SiC. Ces irradiations provoquent au contraire une guérison du désordre préalablement créé par des implantations d’ions I de basse énergie. Ces marqueurs d’iode ne diffusent pas lors d’irradiations avec des ions lourds de basse ou de haute énergie à température ambiante ou à 600 °C. Cependant, une diffusion des ions Cs a été observée lors d’un recuit thermique post-implantation à 1300 °C, température à laquelle le cristal qui comportait une couche amorphe étendue commence à retrouver une structure monocristalline.

Titre traduit

Irradiation effects and diffusion of fission products (cesium and iodine) in the silicon carbide

Résumé

Silicon carbide is envisaged as a cladding material for the nuclear fuel in the fourth generation nuclear reactors. The aim of this work is to study both the capacity to retain fission products and the structural evolution of this material under the combined effects of temperature and irradiation. The low energy ion implantation of the stable analogues of the fission products Cs and I in single crystalline 6H-SiC samples were performed by using the ion implanter or the accelerator of the CSNSM. The high energy heavy ions irradiations were carried out at GANIL. The evolution of the implanted ion profile and the crystal structure were monitored by RBS and channeling. Complementary information were obtained by using the UV-visible absorption spectroscopy. Low energy ion implantations at room temperature induce a fast structural damage in the crystal. On the other hand, implantations at elevated temperatures (600 °C) create just a small amount of disorder in the crystal. High energy heavy ion irradiations do not damage the SiC crystals. They cause, on the contrary, an annealing of the disorder created by low energy implantation. The implanted ions (I) do not diffuse during low or high heavy ion irradiations at room temperature and at 600 °C. However, a diffusion of the Cs ions was observed during a post-implantation annealing at 1300 °C. At this temperature, the crystal which had an extended amorphous layer starts to recover a single-crystal structure.