4.2 Influence de l’irradiation de l’oxyde sur la corrosion de l’alliage Zircaloy-4
4.2.2 Influence de la localisation de l’endommagement sur l’oxydation
Le dommage balistique des ions dans la couche d’oxyde formée sur l’alliage Zircaloy-4 a un effet accélérateur sur le flux de diffusion de l’oxygène et donc sur la vitesse d’oxydation. Nous étudierons dans ce paragraphe si cette augmentation du flux de diffusion est contrôlée par la modification du gradient en lacunes dans la couche d’oxyde lors de la génération des défauts
130 (lacunes d’oxygènes) ou par la concentration en défauts uniformément répartis dans le bulk de l’oxyde.
Pour cela, une exposition isotopique a été réalisée sur des couches d’oxyde avec le même niveau de dommage nucléaire à l’interface métal / oxyde mais différent dans le bulk de l’oxyde. Les résultats de cette expérience sont présentés sur la Figure 4.14. Puis, une seconde exposition isotopique a été réalisée sur des couches d’oxyde avec le même niveau de dommage nucléaire dans le bulk mais différent à l’interface métal / oxyde. Les profils de diffusion du 18O sont présentés sur la Figure 4.15.
Figure 4.14 : A gauche, profils de la fraction de lacunes d’oxygène, calculés par SRIM, dans une couche d’oxyde irradiée avec des ions hélium de 1,3 MeV à une fluence de 1017/cm² et de 650 keV à une fluence de 1016/cm². A droite, profils de diffusion de 18O dans les couches d’oxydes après exposition isotopique de 24h
sous H218O à 360°C en autoclave.
La Figure 4.14 présente les profils de diffusion de l’oxygène 18 dans les couches d’oxyde référence et irradiées avec des ions hélium à des énergies et fluences différentes afin de générer un niveau de dommage nucléaire analogue à l’interface métal / oxyde entre les deux irradiations. L’irradiation avec les ions hélium de 650 keV à une fluence de 1016/cm² a la particularité de fortement modifier le gradient de lacunes dans la couche car le maximum de l’endommagement nucléaire se situe à cette interface. L’irradiation avec les ions hélium de 1,3 MeV à une fluence de 1017/cm² génère un niveau d’endommagement à l’interface métal / oxyde similaire à l’irradiation précédente (He+ 650 keV) mais produit davantage de défauts dans le bulk de l’oxyde (~10 fois plus). Le gradient de concentration en lacunes est dans ce cas nettement plus faible (~6 fois) comme l’illustre la Figure 4.14. En d’autres termes, l’endommagement est relativement uniforme dans l’oxyde irradié aux ions hélium de 1300 keV. Le descriptif des irradiations est disponible dans le Tableau 4.4.
D’un point de vue cinétique, le flux de diffusion de l’oxygène dans la couche uniformément irradiée est nettement supérieur à celui dans l’oxyde ayant un fort gradient de concentration en défauts lacunaires. Ce résultat montre que le flux est régi, au premier ordre, par la quantité de défauts d’irradiation dans le volume de l’oxyde.
Par ailleurs, la concentration superficielle est identique pour les deux couches d’oxyde irradiées.
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Figure 4.15 : A gauche, profils de la fraction de lacunes d’oxygène, calculés par SRIM, dans une couche d’oxyde irradiée avec des ions hélium de 1,3 MeV et de 650 keV à une fluence de 1016/cm². A droite, profils de
diffusion de 18O dans les couches d’oxydes après exposition isotopique de 24h sous H
218O à 360°C en autoclaves.
La Figure 4.15 représente, quant à elle, les profils de diffusion de l’oxygène 18 dans les couches d’oxyde référence et irradiées avec des ions hélium à deux énergies différentes de sorte à générer un niveau de dommage nucléaire équivalent dans le bulk de l’oxyde entre les deux irradiations. L’irradiation avec les ions hélium de 650 keV à une fluence de 1016/cm² engendre un niveau de dommage balistique plus important à l’interface métal / oxyde modifiant, dans ce cas, le gradient en lacunes d’oxygène dans la couche. L’irradiation de la couche d’oxyde avec les ions hélium de 1,3 MeV à une fluence de 1016/cm² possède un niveau de dommages balistiques dans le bulk de l’oxyde sensiblement équivalent avec l’irradiation aux ions hélium de 650 keV.
Nous pouvons remarquer une concentration superficielle en 18O beaucoup plus importante dans la couche dont les défauts d’irradiation sont majoritairement produits à l’interface métal / oxyde comparativement à celle de la couche endommagée uniformément. L’augmentation de la concentration superficielle en 18O est apparemment dépendante du niveau d’endommagement à l’interface métal / oxyde. D’autre part, les profondeurs de pénétration de l’oxygène sont voisines pour les deux irradiations et semblent relativement indépendantes de la distribution de l’endommagement. Elles dépendent vraisemblablement de la concentration moyenne des défauts d’irradiation dans le bulk de l’oxyde. Le coefficient de diffusion de l’oxygène au travers de ces défauts lacunaires est apparemment plus élevé que celui via les lacunes thermiques générées à l’interface métal/oxyde au cours de l’oxydation (hors irradiation). Le corollaire de cette conclusion est une énergie de migration de l’oxygène plus faible dans les défauts d’irradiation.
En résumé, l’augmentation du flux de diffusion de l’oxygène dans les couches d’oxyde irradiées est fortement dépendante de la concentration en défauts d’irradiation dans le bulk de l’oxyde. La présence des défauts se traduit par un accroissement très net du coefficient de diffusion de l’oxygène dans la couche induit par une réduction sensible de l’énergie de migration de l’oxygène via ces défauts lacunaires. En revanche, le niveau d’endommagement à l’interface métal / oxyde influe vraisemblablement sur la concentration superficielle en 18O.
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Tableau 4.4 : Paramètres d’irradiation, descriptif des échantillons, rapport des flux de diffusion et coefficient de diffusion apparent de l’oxygène dans la couche d’oxyde.
Cependant, ces expérimentations ne renseignent pas sur le mécanisme de diffusion de l’oxygène dans la couche d’oxyde irradiée. C’est pourquoi, une exposition isotopique à temps long (17 jours) a été réalisée.