Recherche d’une diffusion sous irradiation

Dans le cas du stockage des émetteurs alpha, les déplacements atomiques produits au cours des désintégrations alpha pourraient permettre une diffusion de l’ hélium empêchant l’exfoliation. Le paragraphe ci-dessous décrit la recherche d’une éventuelle diffusion sous irradiation dans la fluoroapatite phosphocalcique.

1. Technique expérimentale

Pour étudier cette éventuelle diffusion de l’hélium, il faut implanter préalablement cet élément dans les échantillons. Une dose de 6×10¹⁵ He/cm² (0.2% atomique) à 27 keV a été implantée dans 4 échantillons. Elle est très loin de la dose critique d’exfoliation et suffisante pour avoir une bonne statistique sur le profil des atomes d’hélium présents.

Les nombreux déplacements atomiques produits par les noyaux de recul ainsi que les quelques déplacements créés par les particules alpha ont été simulés par des irradiations d’ions oxygène de 400 keV pour les raisons suivantes :

(i) L’oxygène étant majoritaire dans la fluoroapatite, les doses utilisées devraient être sans effet sur la composition chimique.

(ii) Ils s’arrêtent loin du profil des ions hélium implantés : R_p(O, 400 keV) = 600 nm avec ∆Rp = 10 nm.

(iii) Leur perte d’énergie par choc nucléaire permet de créer un nombre suffisant de déplacements atomiques correspondant à ce que produisent les reculs α.

(iv) La mesure de la diffusion du gaz peut être perturbée à cause de l’augmentation du désordre due à cette irradiation d’ions oxygène. Toutefois, comme la perte d’énergie

électronique n’est pas trop élevée les échantillons restent cristallins. En effet, elle est égale à 0,8 keV/nm, une valeur qui est à comparer avec la valeur de 0,41 keV/nm des ions hélium de 1,6 MeV recuisant les zones amorphes [Ouchani 1] et à celle de1,4 keV/nm des ions bore de 5 MeV provoquant l’amorphisation totale de l’échantillon de fluoroapatite [Ouchani 3].

(v) La zone du profil d’hélium est située à une profondeur où le nombre de déplacements par atome produits par les ions oxygène de 400 keV varie peu. Cela signifie que la répartition des défauts autour de ce profil est relativement homogène.

Un échantillon a été conservé comme témoin, tandis que les trois autres nommés D, E et F ont été irradiés avec des doses respectives de : 2×10¹⁵ O/cm², 5×10¹⁵ O/cm² et 10¹⁶ O/cm² créant un nombre croissant de déplacements par atome (dpa) sans amorphiser brutalement le monocristal. Le nombre de dpa produit par les ions oxygène dans les échantillons D, E et F au niveau de la zone d’arrêt des hélium de 27 keV est donné dans le tableau II-2. La recherche d’une diffusion sous irradiation qui devrait se traduire par un élargissement des profils d’hélium a été faite par ERDA.

2. Résultats

Le tableau II-2 donne les valeurs de R_p et de ∆R_p des profils d’hélium mesurées sur les différents échantillons. Pour un même parcours projeté, les valeurs de ∆R_p, mesurées sur les échantillons D, E, et F après irradiation, sont proches de la valeur mesurée sur l’échantillon témoin quelle que soit la dose d’ions oxygène utilisée. En conséquence aucune diffusion sous irradiation n’a pu être mis en évidence dans ces échantillons.

Témoin Echantillon D Echantillon E Echantillon F

Dose (O.cm^-2) 0 2 10¹⁵ 5 10¹⁵ 10¹⁶

dpa 0 0.37 0.93 1.87

Rp (nm) 144 ± 1 144 ± 1 141 ± 1 147 ± 1

∆Rp (nm) 46 ± 1 46 ± 1 43 ± 1 50 ± 1

Tableau II-2 : Rp et de ∆Rp des profils d’hélium mesuré par ERDA sur des échantillons ayant reçu des doses différentes d’ions oxygène correspondant à un nombre de déplacements atomiques croissant

E. Discussion

L’exfoliation du monocristal de Ca₁₀(PO₄)₆F₂ est donc un phénomène qui se produit uniquement si le profil d’hélium est suffisamment distant de la surface. En dessous de 1.5 µm la proximité de la surface permet l’évacuation de l’hélium. La diffusion thermique étant trop lente, la diffusion sous contrainte étant peu probable, le mécanisme d’évacuation de l’hélium pourrait être lié à la formation d’un réseau de microcanaux perpendiculaire à la surface et interconnectés sur toute la profondeur implantée dans lesquels le gaz peut circuler et atteindre la surface [Thomas] (figure II-4).

Dans le cadre du conditionnement des déchets nucléaires, le débit de dose étant beaucoup plus faible, il se pourrait que les microcanaux supposés aient plus de temps pour se former et donc que l’exfoliation soit évitée. Par ailleurs, puisque l’exfoliation se produit lorsque l’hélium est implanté au-delà de 1.5 µm, ces réseaux de canaux ne semblent se développer que dans les régions avec une concentration suffisante en hélium. L’accumulation de l’hélium radiogénique étant supposée relativement uniforme, on peut penser que ces microcanaux pourrait se former plus facilement dans le cas d’une matrice contenant des actinides. Ceci pourrait être vérifié, si on arrive à empêcher l’exfoliation par des implantations de profils d’hélium à des profondeurs croissantes entre 0 et 1.5 µm de façon à créer une région uniformément dopée en hélium allant de la surface à la profondeur où se produit l’exfoliation. Si l’exfoliation était empêchée par ces implantations successives, elle pourrait ne pas se produire dans le cas d’une matrice uniformément dopée en actinides.

Surface

CANAUX

He

<1.5 µm

Figure II-4 : Schéma de principe de l’évacuation de l’hélium implanté à proximité de la surface par un réseau de microcanaux.

II. Etude du comportement de l’hélium implanté dans des

frittés

A. Introduction

Le chapitre I a montré que pour incorporer des actinides dans Ca10(PO4)6F2, il est nécessaire de modifier sa composition chimique. Nous avons aussi vu que la fluoroapatite possédant un groupement silicate dans sa formulation (Ca9Nd1-xAnx(PO4)5(SiO4)F2) est l’apatite offrant le plus de potentialités pour le conditionnement des actinides [Carpéna 6 et 8]. Un changement de composition chimique peut modifier certaines propriétés physico-chimiques de la matrice comme la réponse à l’accumulation d’hélium et sa diffusion thermique. Par ailleurs, comme le conditionnement des actinides est envisagé dans des céramiques, il faut aussi considérer le fait que dans une matrice polycristalline, l’effet de l’hélium pourra être différent de ce qui a été rapporté sur le monocristal de fluoroapatite phosphocalcique. En conséquence, l’étude présentée ci-dessous a porté sur la recherche d’une exfoliation sous irradiation d’hélium dans des frittés de Ca₁₀(PO₄)₆F₂ et de Ca₉Nd₁(PO₄)₅(SiO₄)F₂ afin de voir l’influence de la microstructure et de la composition chimique sur ce phénomène macroscopique.