L'effet de la pureté sur l'évolution de la microstructure du tungstène sous irradiation

The effect of purity on the microstructural evolution of tungsten under irradiation

• Auteur / Autrice : Zhiwei Hu
• Direction : Marie-France Barthe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-France Barthe, Pierre Desgardin, Pinault-thaury Marie-amandine, Hugenschmidt Christoph, Charlotte Becquart, Aurélien Debelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charlotte Becquart, Aurélien Debelle

Mots clés

Mots clés libres

Tungstène

Irradiation. défauts

Microstructure

Pureté

Spectroscopie d’annihilation de positons

Met. sims

Tungsten

Irradiation. defects

Microstructural

Purity

Positron annihialtion spectroscopy

Tem. sims

Résumé

Le réacteur thermonucléaire expérimental international (ITER) est une étape essentielle dans le développement de la technologie de fusion pour la production d'énergie. Le tungstène (W) est l'un des matériaux les plus adaptés pour recouvrir le divertor, composante critique d'ITER et la première paroi de DEMO (réacteur démonstrateur). Il devra résister à l'exposition au plasma et à l'irradiation des particules produits lors de la fusion (neutrons de 14,1 MeV et particules alpha de 3,5 MeV), qui génèrent des défauts à l’échelle atomique. L'évolution de ces défauts conduit à la dégradation des propriétés du tungstène, ce qui peut avoir un impact sur le fonctionnement du réacteur. L'objectif de ce travail est d'étudier l'évolution des défauts lacunaires induits par l'irradiation d'électrons et d’ions de tungstène (atomes de reculs générés par les interactions du tungstène avec les produits de la fusion). En utilisant la spectroscopie d'annihilation de positrons ( PAS), un nouveau défaut lacunaire X avec une fraction prédominante a été révélé après irradiation aux électrons avec deux fluences (1 et 2×1019 cm-2) à température ambiante (Tamb). En combinant la microscopie électronique à transmission (TEM) et la spectroscopie de masse des ions secondaires (SIMS), il apparait que ces défauts X pourraient être des lacunes décorées avec des atomes d'oxygène. Des échantillons de tungstène irradiés avec des ions W de 2 MeV et 20 MeV à Tamb ont été caractérisés par PAS. Lorsque l’endommagement atteint 0,5 dpa, la taille des défauts n’évolue plus pour les deux énergies. Des irradiations avec des faibles doses d’endommagement (0,01 à 0,04 dpa) ont été réalisées à différentes températures (RT, 500 °C, et 700 °C). À 500 °C ou plus, la combinaison de PAS, TEM et SIMS montre que l'agglomération des petites lacunes a été limitée dans les échantillons les moins purs (99,95 wt.%) par rapport aux ultra-purs (99,9999 wt.%), très probablement par les impuretés d'él éments légers (C et O). Mots clés : tungstène, irradiation, défauts lacunaires, PAS, TEM, SIMS

The International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) is an essential step in the development of fusion technology for energy production. Tungsten (W) is one of the most suitable materials to cover the divertor, a critical component of ITER and the first wall of DEMO (Demonstrator Reactor). It will have to withstand exposure to the plasma and irradiation by the particles produced during fusion (14.1 MeV neutrons and 3.5 MeV alpha particles), which generate defects on an atomic scale. The evolution of these defects leads to the degradation of the tungsten properties, which can have an impact on the operation of the reactor. The objective of this work is to study the evolution of vacancy defects induced by the irradiation with electrons and tungsten ions (recoil atoms generated by the interactions of tungsten with the fusion products). Using positron annihilation spectroscopy (PAS), a new vacancy defect X with a predominant fraction was revealed after el ectron irradiation with two fluences (1 and 2×1019 cm-2) at room temperature (RT). Combining transmission electron microscopy (TEM) and secondary ion mass spectroscopy (SIMS), it appears that these X defects could be vacancies decorated with oxygen atoms. Tungsten samples irradiated with 2 MeV and 20 MeV W ions at RT were characterized by PAS. When the damage reaches 0.5 dpa, the size of the defects no longer changes for both energies. Irradiations with low damage doses (0.01 to 0.04 dpa) were performed at different temperatures (RT, 500 °C, and 700 °C). At 500 °C or higher, the combination of PAS, TEM, and SIMS shows that the agglomeration of small vacancies was limited in the less pure samples (99.95 wt.%) compared to the ultrapure ones (99.9999 wt.%), most likely by the light element impurities (C and O). Keywords: tungsten, irradiation, vacancy-type defect, PAS, TEM, SIMS