Endommagement et diffusion d’éléments légers (Hélium et Hydrogène) dans différentes céramiques

Les résultats qui vont être présentés concernent les travaux réalisés pendant ma thèse au CRISMAT (Caen) en collaboration avec le SRMA (CEA-Saclay), mon premier post-doc à l’INSTN (CEA-Saclay) et mon second au LPS (CEA-Saclay). 1)Etude de l’endommagement et de la diffusion de l’hélium dans des fluoroapatites Ce travail s’est inscrit dans le cadre de l’étude des matrices de confinement des radionucléides. Le choix des fluoroapatites comme matrice possible de confinement a été guidé par leurs remarquables propriétés (stabilité thermique, chimique et sous rayonnement radioactif). Les effets liés aux désintégrations alpha et à la fission spontanée des radionucléides ont été simulés par des irradiations avec des ions lourds et des implantations d’hélium. Les échantillons étudiés étaient une fluoroapatite naturelle de Durango et des céramiques frittés Ca_10-xNd_x(PO₄)_6-x(SiO_4x)F₂ avec 0 ≤ x ≤ 6. L’étude de ces échantillons a montré que la fraction d’endommagement ainsi que les déformations de la maille cristalline augmentent avec la perte d’énergie électronique des ions lourds et avec la substitution. De plus, ces effets sont accompagnés, à fortes fluences d’irradiation d’un phénomène de recristallisation qui s’amplifie aussi avec la perte d’énergie électronique et diminue avec la substitution. L’étude du transport de l’hélium a permis de montrer que la diffusion thermique est favorisée par la substitution et fortement accrue par l’irradiation avec des ions lourds. Ces études ont permis de confirmer les observations géologiques : la composition qui présente le meilleur compromis entre l’introduction de radionucléides dans la structure et la facilité à guérir les défauts est l’apatite monosilicatée. 2)Etude de l’endommagement et de la diffusion de l’hélium dans le SiC Ce travail a été effectué dans le contexte des études liées aux futurs réacteurs de génération IV et dans celui du réacteur à fusion ITER. Dans ces deux cas, les matériaux choisis devront résister à l’irradiation mais aussi à l’accumulation d’hélium. L’étude de la diffusion thermique de l’hélium, réalisée sur des monocristaux de 4H- et 6H-SiC, après implantation, a montré que les bulles d’hélium sont stables en dessous de 1 000°C. Au-dessus, une partie de l’hélium peut être dépiégée et fuir vers la surface. La deuxième partie de ce travail a consisté à analyser par µRaman la recristallisation thermique du monocristal 6H-SiC après irradiation aux ions lourds. Cette recristallisation se produit dans le même système cristallin mais, pour une forte fluence d’irradiation et à partir de 900°C, elle conduit à la formation de polycristaux. 3)Etude du transport diffusionnel de l’hydrogène Cette étude a été réalisée dans le cadre des recherches sur les piles à combustibles à conducteurs protoniques.