Contribution au développement de la ligne MARS pour l’analyse au rayonnement synchrotron d’aciers à dispersion d’oxydes irradiés aux neutrons : évolution des phases secondaires sous irradiation

par Denis Menut

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Magali Morales et de Daniel Chateigner.

Soutenue en 2016

à Caen , dans le cadre de École doctorale structures, informations, matière et matériaux (Caen ; 1992-2016) , en partenariat avec Centre de recherche sur les ions, les matériaux et la photonique (Caen ; 2008-....) (laboratoire) et de Normandie Université (2015-....) (autre partenaire) .

Le président du jury était Luca Lutterotti.

Le jury était composé de Magali Morales, Daniel Chateigner, Luca Lutterotti, Alexis Deschamps, Frederico Garrido, Frédéric Delabrouille, Sandrine Schlutig, Jean-Luc Béchade.

Les rapporteurs étaient Alexis Deschamps.

mots clés

• Rayons X -- Diffraction -- Thèses et écrits académiques
• Spectroscopie des rayons X -- Thèses et écrits académiques
• Rayonnement synchrotron -- Thèses et écrits académiques

Résumé

La Diffraction des Rayons X couplée à la Spectroscopie d’Absorption des rayons X sur la ligne MARS du synchrotron SOLEIL sont mises en œuvre pour l’étude des évolutions microstructurales des phases oxydes présentes dans les aciers ODS irradiés en réacteur. Deux nuances d’acier ODS d’ancienne génération (DY et MA957) irradiées jusqu’à de fortes fluences (~75 dpa) aux neutrons ont pu être étudiées. Ces expériences ont nécessité un développement spécifique de la ligne MARS, notamment d’un porte-échantillon, permettant de franchir une étape majeure du point de vue des outils de caractérisation nucléarisés au CEA. Ainsi, la DRX apporte des résultats originaux sur la nature cristallographique et les microstructures des phases précipitées de taille intermédiaire (autour de 100 nm), les phases nanoprécipitées (entre 1 et 10 nm) ne pouvant être observables dans ces conditions d’analyse (matériaux et configuration expérimentale). Par ailleurs, la SAX ne peut être discriminante lorsque l’élément sonde entre dans la composition de différentes phases précipitées. Néanmoins, la stabilité de la coordinance 5 du Ti est démontrée, quelles que soient les conditions d’irradiation. L’étude expérimentale n’accédant pas aux précipités nanométriques, l’alternative est la simulation numérique du comportement sous irradiation des oxydes d’intérêts, confrontée à des observation d’oxydes massifs irradiés aux ions : dans ces conditions, la structure fluorine lacunaire est une phase intermédiaire de la transition cristal-amorphe de la structure pyrochlore quelles que soient les conditions d’irradiation et le rapport des rayons cationiques, la coordinance du Ti tendant vers 5 dans l’état amorphe.

Titre traduit

Contribution to the MARS beam line development to perform analysis of neutron irradiated ODS steels at synchrotron radiation : secondary phases evolution under irradiation

Résumé

X-Ray Diffraction coupled with X-ray Absorption Fine Structure analyses at the MARS beamline of the synchrotron SOLEIL facility were used to study the microstructural evolution of oxides phases found in ODS steels irradiated in Material Testing Reactors. Two hold generations of ODS steel grades (DY and MA957) irradiated up to high fluencies (~75 dpa) were studied. These experiments have required specific developments, in particular a dedicated sample holder. An important milestone was overcome integrating the MARS beamline to the nuclearized facilities accessible for CEA. First, XRD analysis provide new results concerning intermediate sizes of precipitates (around 100 nm) essentially from crystallographic point of view, the nano-sized oxides (from 1 to 10 nm) being not detected, due to the material itself, sample preparation as thin foil and experimental set-up calibration. Secondly, XAFS analysis is not a discriminating technique as soon as the absorber atom is involved in the chemical composition of various precipitates found in ODS. Nevertheless, the stability of the Ti with a coordination number of 5 is evidenced whatever the irradiation conditions. As our experimental study was not able to detect the nano-sized oxides, an alternative way is to perform modeling approach of the behavior of massive oxides under irradiation, compared to experimental analyses under ion irradiations. We have shown that the defect-fluorite is an intermediate phase of the crystal-to-amorphous phase transition of the pyrochlore oxide structure, whatever the irradiation conditions and the ratio of the cationic radii, the Ti coordination number remaining around 5 in the amorphous state.