III. Simulation des irradiations internes par implantation ioniques
5. Le déplacement par atome
Une des grandeurs utilisée pour quantifier l’impact des irradiations sur un matériau est le nombre de déplacements par atome (dpa). Le dpa représente la proportion d’atomes de la cible qui a été déplacée par les ions incidents. Un dpa de 1 indique que tous les atomes de la cible ont été déplacés au moins une fois. Il est calculé grâce à la formule suivante :
) profondeur et permet de remonter au profil de dpa en fonction de la profondeur.
Le nombre de déplacements par atome (dpa) représente le rapport entre le nombre d’atomes déplacés lors d’une irradiation et le nombre d’atomes présents dans le volume irradié.
Les traces amorphes créées par les ions plomb de haute énergie permettent d’induire une quantité de défauts comparable à celle causée par les interactions nucléaires tout en affectant une grande profondeur d’échantillon (10-35 µm). Ces profondeurs permettent d’irradier certains cristaux de la vitrocéramique sur toute leur largeur et de pouvoir ainsi étudier les influences des irradiations sur les propriétés macroscopiques de la vitrocéramique. Trois céramiques ont été irradiées aux ions plomb à 108 MeV et deux vitrocéramiques aux ions plomb à 940 MeV.
C. Conclusion
L’augmentation du taux de charge en actinides mineurs et produits de fission dans les futures matrices de confinement (appelées matrices HTC pour haut taux de charge), pourrait créer des conditions favorables à la cristallisation d’un molybdate de calcium, la powellite (CaMoO4), au sein du verre. Or, la powellite durant sa cristallisation peut incorporer des terres rares et est donc susceptible, en conditions de confinement, d’incorporer des actinides mineurs. La powellite pourrait donc, si elle cristallise au sein d’un verre, subir les effets d’une auto irradiation par les désintégrations α. Pour déterminer le comportement à long terme d’une matrice de stockage contenant des actinides, il est donc nécessaire de connaître l’impact des particules α et des noyaux de recul émis lors des désintégrations α sur cette matrice.
Dans les verres de borosilicate et les céramiques pouvant contenir des actinides, les noyaux de reculs sont la principale source de déplacements atomiques et donc de modification de la structure. Les principales modifications entraînées par ces irradiations sont un gonflement et une baisse de dureté. Dans une vitrocéramique, une trop forte différence de gonflement entre les cristaux et la matrice vitreuse peut induire une fracturation. Comme le comportement des cristaux vis-à-vis des désintégrations α est très variable (allant jusqu’à l’amorphisation), il est nécessaire de connaître celui de la powellite et plus particulièrement de déterminer son gonflement.
Une vitrocéramique contenant des cristaux micrométriques a été obtenue après traitement thermique d’un verre modèle, verre de borosilicate enrichi en molybdène et contenant quatre terres rares comme simulants des AM et PF dont trois (europium, néodyme et praséodyme) servent aussi de sondes structurales luminescentes. La phase cristalline de cette vitrocéramique est de type CaMoO4 mais sa composition complexe incorpore notamment des terres rares (Eu, La, Nd, Pr), du strontium et du sodium.
Un verre, appelé verre résiduel, de même composition que la matrice de la vitrocéramique a été synthétisé pour étudier le comportement de la matrice sous irradiation, notamment son gonflement.
Pour étudier la phase cristalline, deux types d’analogues naturels ont été utilisés. Des
Eu0,01La0,02Nd0,02Pr0,02 MoO4 ont également été synthétisées. Ces céramiques ont également servi de cibles d’irradiation pour simuler les effets des désintégrations α sur la powellite.
Trois types d’irradiations ont été réalisés. Une irradiation aux ions hélium 1,7 MeV avec une fluence de l’ordre de 1016 ion.cm-2 simule les effets des particules α tandis que des irradiations à l’argon 8 MeV avec quatre fluences allant de 1014 à 1,2.1016 ion.cm-2 simulent les interactions nucléaires causées par les noyaux de recul. Afin d’irradier certains cristaux de la vitrocéramique sur toute leur largeur et de pouvoir ainsi étudier les influences des irradiations sur les propriétés macroscopiques de la vitrocéramique, celle-ci a été irradiée par des ions plomb à très haute énergie (940 MeV). Les traces amorphes créées par les ions plomb de haute énergie doivent permettre d’induire un endommagement comparable à celui causé par les interactions nucléaires de l’irradiation argon tout en affectant une grande profondeur d’échantillon (10-35 µm).
Durant cette thèse, des techniques d’analyses multi échelle ont été utilisées afin de déterminer les caractéristiques des échantillons sains et les modifications induites par les irradiations.
La photoluminescence a permis de caractériser les sites cristallins dans lesquels se trouvent les terres rares et de suivre leurs modifications sous irradiation. La terre rare la plus utilisée a été l’Eu3+ car une de ses transitions (5D07F0) présente la particularité d’avoir pour nombre de composantes, le nombre de sites cristallins dans lequel est présent l’Eu3+. La spectroscopie Raman a permis une analyse structurale ponctuelle, rapide de l’ordre cristallin à moyenne distance et est très sensible aux variations des paramètres de maille. Ces paramètres de maille ainsi que la variation de cristallinité des échantillons ont été déterminés par diffraction des rayons X. Diverses techniques non destructives de cartographie (cathodoluminescence, BSE et microsonde) ont permis d’obtenir des informations complémentaires sur les variations de composition des échantillons, compositions quantifiées grâces à des analyses microsonde, EDX et ICP-MS (couplée à une ablation laser). Enfin, les mesures de gonflement post-irradiation ont été réalisées par interférométrie optiques, celles de dureté par microdureté Vickers.