Etude du comportement thermique et sous irradiation du lithium implanté dans le carbure de bore B4C

Study of the thermal and irradiation behavior of lithium implanted in boron carbide (B4C)

• Auteur / Autrice : Mohand-Ouyahia Bousseksou
• Direction : Nathalie Moncoffre, Gaëlle Gutierrez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Patrick Nédélec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Moncoffre, Gaëlle Gutierrez, Alexandre Maître, Frederico Garrido, Sandrine Miro
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandre Maître, Frederico Garrido

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Traitement thermique

Lithium

Carbure de bore

Science des matériaux

Mots clés libres

Carbure de bore

Lithium

Diffusion

Dommage

Implantation

TOF-SIMS

Raman

Boron carbide

Lithium

Diffusion

Dammage

Implantation

TOF-SIMS

Raman

Résumé

Le carbure de bore B4C est une céramique réfractaire ultradure. Il est utilisé comme absorbeur de neutrons pour le contrôle des réacteurs nucléaires et la protection des installations dans la plupart des types de réacteurs. Lorsque le carbure de bore est irradié en réacteur, de grandes quantités d’hélium et de lithium (jusqu’à environ 1022/cm3) sont produites en raison de la réaction d’absorption neutronique 10B(n,α)7Li. Le comportement de l’hélium est relativement bien compris. Il est en grande partie retenu, jusqu’à haute température, au moins 1200 °C, sous forme de bulles fortement pressurisées, conduisant au gonflement, puis à la microfissuration du matériau. A contrario, très peu de résultats sont disponibles concernant le comportement du lithium et les mecanismes de diffusion associés. Dans ce contexte, l’objectif de notre étude est d’étudier la diffusion thermique du lithium implanté dans le carbure de bore et de comprendre l’effet du dommage balistique sur cette diffusion (résultant en réacteur des interactions élastiques avec les neutrons rapides). Pour cela, des échantillons de B4C de haute densité ont été préparés par frittage SPS de différentes poudres, puis implantés en Li à température ambiante à une énergie de 170 keV à différentes concentrations (1×1014 et 1×1016 Li/cm2). Des traitements thermiques dans une gamme de températures entre 500 et 800 °C ont été réalisés pour activer la diffusion du lithium. Les profils de concentration de Li en fonction de la profondeur ont été obtenus avant et après chaque traitement thermique grâce à la technique de spectrométrie de masse d'ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS). L'évolution du dommage a été suivie par spectroscopie Raman. A partir de l'élargissement des profils de Li après traitements thermiques dans un matériau à très gros grains, des coefficients de diffusion apparents ont été déduits. Le diagramme d'Arrhenius résultant nous a permis de déterminer une énergie d’activation proche de 2 eV. La valeur de l’énergie d’activation obtenue a été mise en regard de celles calculées dans la littérature. On constate des valeurs énergie d’activation très différentes. Ces disparités peuvent être expliquées par des conditions expérimentales très différentes. Ensuite, en analysant un matériau à microstructure très fine, nous avons mis en évidence une diffusion fortement accélérée de Li le long des joints de grains. Pour la fluence la plus faible de Li, des défauts d'irradiation ont également été créés dans la zone implantée par une post-irradiation à température ambiante avec des ions Au de 10 MeV à différente fluences (1×1014 et 1×1015 Au/cm2). Nous avons montré que le dommage balistique introduit par cette irradiation conduit à un piégeage efficace de Li. Plus le dommage est important, plus le piégeage de Li est élevé.

Boron carbide B4C is a highly hard refractory ceramic. It is used as a neutron absorber for nuclear reactor control and installation protection in most types of reactors. The neutron absorption reaction 10B(n,α)7Li produces large amounts of helium and lithium (up to about 1022 /cm3in reactor). Regarding the behavior of helium, it is rather well understood. It is mainly retained, up to a high temperature of 1200 °C, in the form of highly pressurized bubbles, leading to swelling and cracking of the material. Conversely, few results are available concerning lithium and the associated diffusion mechanisms. In this context, the aim of this Ph.D. is to study the thermal behavior of lithium-implanted boron carbide and to understand the effect of ballistic damage on this diffusion (resulting in reactors from elastic interactions with fast neutrons). For that purpose, high-density B4C samples were obtained by SPS sintering of different powders. Li was implanted at an energy of 170 keV for two fluences (1×1014 and 1×1016 Li/cm2). Annealing treatments in the 500 – 800 °C temperature range were then performed to activate the lithium diffusion. The Li concentration profiles as a function of depth were obtained before and after each treatment by using the Time-of-Flight Secondary Ionization Mass Spectrometry (TOF-SIMS) technique. The damage build-up was investigated by Raman spectroscopy. From the broadening of the Li profiles in a large grain size material, apparent diffusion coefficients were deduced. The resulting Arrhenius diagram allowed determining an activation energy around 2 eV. The value of the activation energy obtained was compared with those calculated in the literature. A very important variation of the activation energies can be observed. These disparities can be explained by very different experimental conditions. Studying a small grain size matrix, the influence of grain boundaries on Li migration has then been determined. It is shown a highly enhanced Li diffusion along grain boundaries. For the lowest fluence, irradiation defects were also created in the Li implanted zone by 10 MeV Au ions post-irradiation at different fluences (1×1014 and 1×1015 Au/cm2). Ballistic damage introduced by the Au irradiation was shown to lead to efficient trapping of Li. The greater the damage, the greater the trapping.