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b. Matériaux simulant les matériaux nucléaires pour l’ablation laser

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Acie

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xy

d

able

316L

Longueur de

diffusion

thermique

𝑳𝒕𝒉 (µm)

1,26 1,37 0,61 0,19 1,20 0,33 0,385 0,256

Indice de

réfraction

Partie réelle

𝒏

0,21 1,523 1,51 1,85 2,23 1,441 1,176 1,16

Diffusivité

thermique

𝑫𝑻𝒉 (m2.s-1)

9,86.10-5 1,18.10-4 2,32.10-5 2,23.10-6 8,95.10-5 6,74.10-6 9,28.10-6 4,11.10-6

Conductivité

thermique

𝑪𝑻𝒉 (W.m-1.K-1)

237 401 80,2 7,8 148 57,5 21,9 16,3

Masse

volumique

𝝆 (Kg.m-3)

2,7 8,96 7,87 7,3 2,33 16,4 4,51 7,93

Chaleur

spécifique

massique

𝑪𝒑 (J.g-1.K-1)

0,89 0,38 0,44 0,48 0,71 0,52 0,524 0,5

√𝑳𝒕𝒉⁄𝒏 2,44 0,95 0,63 0,32 0,73 0,66 0,57 0,47

Tableau 14 : Données physiques des huit métaux étudiés [193, 200, 201, 202].

Pour notre modèle, la relation linéaire observée entre le paramètre √𝐿𝑡ℎ⁄𝑛 et l’efficacité

d’ablation n’est pas entièrement comprise à ce jour. Elle n’est d’ailleurs probablement pas

optimale comme le montre l’écart observé pour certains éléments tels que le cuivre ou le fer,

et demande donc des investigations plus approfondies. Nous le considérerons cependant

comme un modèle opérationnel prédictif de l’efficacité d’ablation et l’utiliserons comme tel

par la suite.

IV.4.b. Matériaux simulant les matériaux nucléaires pour l’ablation laser

A partir du modèle opérationnel construit précédemment et des données physiques des

matériaux nucléaires (Tableau 15), nous pouvons déterminer l’efficacité d’ablation de

l’uranium et du plutonium ainsi que les matériaux simulant ces derniers du point de vue de

l’ablation laser.

D’après la Figure 48, les matériaux de substitution de l’uranium et du plutonium pour

l’ablation laser sont donc respectivement le titane et l’acier inoxydable 316L.

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Uranium Plutonium

Longueur de diffusion

thermique 𝑳𝒕𝒉 (µm) 0,44 0,204

Indice de réfraction 𝒏 1,40 1,00

√𝑳𝒕𝒉⁄𝒏 0,56 0,45

Tableau 15 : Données physiques de l’uranium et du plutonium [193, 200, 203].

L’efficacité d’ablation de l’uranium est de 6530 µm3.mJ-1 et celle du plutonium est de

3380 µm3.mJ-1. Grâce à ces données, il est aussi possible de prédire la contamination

induite par l’analyse LIBS de ces matériaux, contamination très faible comme le Tableau 16

l’indique. Celui-ci donne un exemple pour une analyse de 20 mesures à 10 tirs et à 2 mJ.

Nous pouvons voir que pour ce type d’analyse, la masse ablatée reste de l’ordre de

quelques microgrammes.

Eléments

Efficacité d’ablation

pour 10 tirs cumulés

(µm3.mJ-1)

Masse ablatée

(µg)

Activité

(Bq)

Unaturel 6530 5,0 0,13

Uappauvri 6530 5,0 0,064

Uenrichi 3% 6530 5,0 0,29

239Pu (pur) 3380 2,7 6200

Tableau 16 : Exemple de contamination induite par 20 mesures à 10 tirs et à 2 mJ de quelques matériaux

nucléaires.

Conclusion

Le but de ce chapitre était de déterminer les matériaux simulant les matériaux nucléaires

pour la LIBS-VUV car il est d’abord préférable de réaliser le développement analytique sur

des matériaux non nucléaires pour des raisons de sécurité du personnel et de facilité de

mise en œuvre. Pour cela, nous avons recherché des matériaux métalliques ayant un

comportement physique sous ablation laser similaire à celui de l’uranium et du plutonium.

Nous avons vu que les deux principaux paramètres influençant le signal analytique étaient la

masse ablatée et la température du plasma. En nous basant sur la littérature, nous avons fait

l’hypothèse que l’influence de la température du plasma sur le signal était négligeable

comparée à celle de la masse ablatée.

Nous nous sommes donc intéressés à ce paramètre à travers une étude de l’ablation

laser à 266 nm d’un échantillon de cuivre dans l’air à un bar et dans le vide. Nous avons

mesuré la morphologie des cratères et leurs dimensions sur une large gamme d’éclairement

(0,35 – 96 GW.cm-2), l’objectif étant la détermination d’un régime d’interaction permettant de

contrôler au maximum l’ablation laser.

Pour des énergies laser peu élevées, la morphologie du cratère est similaire au profil du

faisceau laser. Le volume, la profondeur et le diamètre du cratère sont totalement corrélés à

l’énergie du laser et il n’y a pas de différence entre les résultats obtenus dans l’air et ceux

dans le vide. Dans cette gamme d’énergie (entre 0,3 et 3 mJ), l’ablation laser est pilotée par

les caractéristiques du faisceau laser à la surface de l’échantillon. La fraction d’énergie

utilisée pour l’ablation et pour le chauffage du plasma est supposée être approximativement

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constante. Ce régime a également permis de mesurer l’efficacité d’ablation du cuivre et dans

nos conditions expérimentales, celle-ci est égale à 0,15 ± 0,03 atome/photon sous pression

atmosphérique.

A des énergies laser plus élevées, les résultats obtenus dans le vide suivent la même

tendance qu’à énergie faible. Par contre, dans l’air, une saturation du volume et de la

profondeur est observée. Dans cette gamme d’énergie (entre 3 et 7 mJ), l’écrantage plasma

et la modification de la propagation du faisceau laser se produisent. Cette forte interaction

laser-plasma se traduit par une ablation laser beaucoup moins contrôlée étant donné que la

fraction d’énergie laser utilisée pour l’ablation laser dépend de l’éclairement.

Finalement, l’étude de l’ablation laser du cuivre a permis de déterminer une gamme

d’éclairement, entre 5 et 40 GW.cm-2, pour laquelle l’ablation peut être très bien contrôlée

par l’utilisateur. Dans cette gamme d’éclairement, l’efficacité d’ablation de huit métaux a été

déterminée et a conduit à la construction d’un modèle opérationnel empirique de prédiction

de ce paramètre, basé sur certaines propriétés thermo-physiques et optiques de ces

matériaux. A partir de ce modèle, l’efficacité d’ablation de l’uranium et du plutonium peut être

estimée ainsi que leurs matériaux de substitution pour l’ablation laser. Ceux-ci sont donc le

titane pour l’uranium et l’acier inoxydable pour le plutonium.

Ces deux matériaux de substitution vont ensuite faire l’objet d’un développement

analytique dans le but de quantifier certains éléments d’intérêt avec l’objectif fixé en début de

thèse, à savoir une incertitude inférieure à 3 %.

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Chapitre V

Analyse quantitative d’impuretés dans les

matériaux simulant les matériaux nucléaires

Introduction

Suite à la détermination des matériaux simulant les matériaux nucléaires dans le

chapitre précédent, le développement analytique réalisé sur ces matériaux de substitution

est présenté dans ce chapitre, avec l’objectif de quantifier certaines impuretés d’intérêt dans

une gamme de concentration comprise entre 500 et 5000 ppm avec une incertitude

inférieure à 3 %. Dans un premier temps les analytes seront sélectionnés en fonction des

disponibilités des étalons et les raies d’émission sont ensuite choisies avec soin. Les

conditions expérimentales optimales pour l’analyse seront alors définies et la quantification

ainsi que la détermination des performances analytiques seront évaluées.

Pour qualifier les performances obtenues sur matrice nucléaire, l’idéal serait de disposer

d’étalons métalliques certifiés. Cependant, compte tenu de la faible disponibilité de ces

matériaux et des contraintes de sécurité que leur manipulation impose, il n’a pas été possible

de travailler directement sur matrice nucléaire pendant la thèse. Pour cette raison, nous

présenterons une tentative de transfert d’étalonnage d’une matrice à une autre, visant à

quantifier un élément dans une matrice à partir de l’étalonnage réalisé dans une matrice

différente. Ceci revient à corriger les effets de matrice par des normalisations et autres

traitements de données pour ensuite appliquer ce transfert aux matrices nucléaires.

Enfin, pour valider cette démarche sur une matrice nucléaire, une campagne

d’étalonnage sur des échantillons métalliques d’uranium appauvri, fournis par le CEA Valduc

et contenant quelques éléments en concentration connue, est envisagée. Les mesures ne

pourront pas avoir lieu pendant la thèse mais nous présenterons la préparation de cette

campagne qui sera réalisée ultérieurement afin de quantifier certaines impuretés et ainsi

déterminer la faisabilité de cette approche pour le contrôle de matériaux nucléaires sur ligne

de production.

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Etalons certifiés non nucléaires

Nous avons vu au chapitre précédent que les matériaux de substitution de l’uranium et

du plutonium pour l’ablation laser étaient respectivement le titane et l’acier inoxydable. A ces

deux matériaux sont ajoutés le cuivre et l’aluminium en prévision de l’étude sur le transfert

d’étalonnage. Ces deux métaux ont été choisis car selon le modèle prédictif de l’efficacité

d’ablation (paragraphe IV.4), ils ont un comportement sensiblement différent de celui du

titane et de l’acier inoxydable.