Modélisation à l’échelle atomique du comportement des gaz rares dans les matériaux : comportement du krypton et du xénon dans le carbure de silicium

La fission des actinides et la désintégration α produisent en réacteur de grandes quantités de gaz rares, qui ont une influence importante sur les propriétés mécaniques des combustibles et leur gonflement. Une meilleure connaissance du comportement des gaz rares dans les matériaux est donc essentielle pour mieux comprendre le comportement des combustibles en réacteur et améliorer leurs performances. La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) est utilisée à la Direction de l’énergie nucléaire pour l’étude du comportement des gaz rares dans les matériaux d’intérêt pour les combustibles depuis le début des années 2000. Cependant, les approximations actuelles de la DFT (LDA, GGA, meta-GGA) ne permettent pas de décrire les liaisons de van der Waals formées par les gaz rares. La précision de la description des interactions entres gaz rares et atomes à couches électroniques incomplètes est quant à elle mal connue. Afin de déterminer cette précision et la faisabilité de l’étude de l’incorporation des gaz rares dans le carbure de silicium en DFT, nous avons donc dans un premier temps étudié de petites molécules contenant des gaz rares pour lesquelles des résultats expérimentaux et des calculs post Hartree-Fock très précis sont disponibles ou faisables. La comparaison de ces résultats avec ceux obtenus par différentes fonctionnelles montre que la DFT permet d’obtenir une bonne précision en ce qui concerne les liaisons formées par le Kr et le Xe avec des atomes à couches électroniques incomplètes. En revanche, la description des liaisons formées par l’hélium, qui sont très faibles, est beaucoup plus problématique. Au vu des conclusions de cette première partie, nous avons étudié l’incorporation du krypton et du xénon dans le carbure de silicium (SiC), matériau de gainage potentiel dans les réacteurs de génération IV, dans le cadre de l’approximation du gradient généralisé de la DFT. Nous avons calculé les énergies d’incorporation d’un atome de Kr et de Xe dans différents sites du SiC cubique st½chiométrique ou proche de la st½chiométrie. Les résultats montrent que les deux gaz rares ont un comportement semblable : ils sont stables dans de nombreux sites lacunaires et interstitiels, mais les énergies d’incorporation sont hautes. De plus, les premiers calculs de chemin de migration montrent que les barrières entre les différents sites interstitiels sont pratiquement inexistantes. Enfin, le comportement différent de l’iode montre l’effet primordial de la structure électronique sur les propriétés d’incorporation dans le matériau.