Etude du comportement de l'hélium et des défauts lacunaires dans le tungstène, Study of the behavior of helium and vacancy-type defects in tungsten

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Sous la direction de Marie-france Barthe
Thèse soutenue le 10 novembre 2010: Orléans
Dans les réacteurs à fusion, le tungstène subira des contraintes sévères dont, l’irradiation neutronique induisant la création de défauts ponctuels, et l’implantation d’hélium. La compréhension du comportement synergique des défauts lacunaires et de l’hélium est cruciale pour modéliser le comportement des composants en tungstène des futurs réacteurs à fusion thermonucléaire.Cette étude utilise la spectroscopie d’annihilation des positons (PAS) pour déterminer la nature et l’évolution en température des défauts d’implantation et l’analyse par réaction nucléaire (NRA)couplée ponctuellement à la microscopie électronique pour suivre le comportement de l’hélium.Les défauts générés dépendent des paramètres d’implantation (nature des ions, énergie, fluence). Par implantation d’3He à 800 keV, des monolacunes ont été créées et sont mobiles entre 473 et 623 K.L’augmentation de la concentration initiale en monolacunes décale le seuil de migration vers les basses températures. Des implantations à fort dpa (Fe 10 MeV) génèrent des amas lacunaires. Les impuretés jouent un rôle prépondérant sur le comportement en température des défauts.Le comportement de l’hélium a été étudié sous trois conditions d’implantation différentes. Les implantations à basse énergie (0,32 keV) montrent la création de complexes hélium-lacune par mutation. Les implantations à 60 keV mettent en évidence la compétition entre la migration, à basse fluence et le piégeage de l’hélium, à haute fluence. Finalement, des implantations à haute énergie(500 keV) renseignent sur l’influence de la microstructure sur la distribution des bulles d’hélium.
-Défauts lacunaires
-Spectroscopie d’annihilation des positons
-Analyse par réaction nucléaire
In fusion reactors, tungsten suffers severe constraints such as an intense neutron irradiation which induces the creation of point defects, and implantation of helium. Understanding the interactions between point defects and helium is crucial to model the behavior of tungsten components for future nuclear fusion applications.This study rely on the use of Positron Annihilation Spectroscopy (PAS) to determine the nature and thermal evolution of implantation-induced defects, and Nuclear Reaction Analysis (NRA) occasionally coupled with electron microscopy to investigate the behavior of helium.The nature of implantation-induced defects depends on the implantation parameters (type of ion,energy, fluence). Implantations of 3He at 800 keV, lead to the creation of monovacancies which aremobile between 473 and 623 K. Increasing the initial concentration of monovacancies shifts themigration threshold toward low temperature. Implantations with high level of damage (Fe 10 MeV) generate vacancy clusters. The impurities play a dominant role on the thermal behavior of defects. The behavior of helium was studied under three different implantation conditions. Implantations at low energy - 0.32 keV - show the creation of helium-vacancy complex by mutation. Implantations at 60keV show the competition between migration - at low fluence - and trapping of helium - at high fluence. Finally, high energy implantations (500 keV) provide information about the influence of microstructure on the distribution of helium bubbles.
-Vacancy-type defect
-Positron Annihilation spectroscopy
-Nuclear reaction analysis
Source: http://www.theses.fr/2010ORLE2032/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
Lecture(s) : 44
Nombre de pages : 222
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UNIVERSITÉ D’ORLÉANS



ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

CEMHTI : Conditions Extrêmes et Matériaux :
Haute Température et Irradiation

THÈSE présentée par :
Pierre-Emile LHUILLIER


soutenue le : 10 novembre 2010

pour obtenir le grade de : Docteur de l’université d’Orléans
Discipline : Physique des Matériaux


Etude du comportement de l’hélium et des
défauts lacunaires dans le tungstène



THÈSE dirigée par :
M.-F. BARTHE Chargée de recherche H.D.R., CNRS, Orléans

RAPPORTEURS :
C. BECQUART Professeur, ENSCL, Lille
S. BOUFFARD Directeur de recherche, CIMAP, Cean
_________________________________________________________________
JURY :
P. HENNEQUIN Directrive de recherche, CNRS, Palaiseau
A. AL MAZOUZI Ingénieur-Chercheur, EDF R&D
P. MAGAUD Docteur, Ingénieur, CEA, Cadarache
M. ELDRUP Senior Scientist, Risø, Denmark
P. BRAULT Directeur de recherche, CNRS, Orléans


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Remerciements

Je remercie tout d’abord sincèrement Marie-France BARTHE qui a encadré et inspiré cette thèse, et
avec qui s’est établit un dialogue et des discussions, parfois vifs, mais toujours enrichissants.
Je souhaite également adresser mes remerciements à Charlotte BECQUART et Serge BOUFFARD qui
m’ont fait l’honneur d’assumer la charge de rapporteurs.
Je remercie également Pascale HENNEQUIN, Philippe MAGAUD, Morten ELDRUP, Abderrahim
AL MAZOUZI et Pascal BRAULT d’avoir accepter de faire partie du jury.
Je tiens à remercier Pierre-DESGARDIN pour sa disponibilité, ses conseils avisés, et ses connaissances
sur la spectroscopie d’annihilation des positons ainsi que Thierry SAUVAGE pour son aide sur les
expériences de NRA et pour le regard critique qu’il a su apporter à mes expérimentations.
Je remercie également Robin SCHEAUBLIN, Eugenia MINIKUS et Julijana KRBANJEVIC pour m’avoir
accueilli au CRPP (Paul Sherrer Institut, Suisse) et pour m’avoir permis de réaliser des observations au
Microscope Electronique à Transmission.
Je remercie chaleureusement Virginie MOINEAU et Blandine COURTOIS pour leur aide incomparable
et le temps qu’elles ont consacré aux expérimentations de cette thèse.
J’adresse ma gratitude envers les équipes de recherche des laboratoires en charges des dispositifs
JANNUS de Saclay et PLEPS de Munich, pour le support technique qu’elles m’ont apporté.
Je remercie également Anne-Lise THOMANN, Tayeb BELHABIB, Pascal BRAULT et l’ensemble des
personnels du GREMI ayant contribué aux implantations d’hélium à basse énergie.
J’adresse également un clin d’œil amical et reconnaissant à Mr DEMOULIN, professeur de physique
au collège G. Brassens de Montmédy, pour avoir contribué à insuffler chez moi la passion de la
physique.
Un grand merci, à mes amis thésards et post-doctorants, à tous les membres du CEMHTI Cyclotron,…
et aux « Irradiés ». Chacun d’eux a participé à faire de mon séjour au CEMHTI, une expérience
enrichissante et agréable, dans une ambiance chaleureuse.
Enfin, je dédie ce travail à Adeline, qui m’a toujours apporté un soutien sans faille, ainsi qu’à toute
ma famille qui m’a donné l’envie et la motivation pour mener ce travail.

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tel-00587482, version 1 - 20 Apr 2011Tables des matières

Introduction générale ………………………………………………………………………………………………………………..…….11
I. Synthèse bibliographique
1. Contexte : les réacteurs à fusion thermonucléaire ....................................................................... 14
2. Les propriétés de l’hélium et des défauts ponctuels dans le tungstène ....................................... 28
3. Conclusion ..................................................................................................................................... 45

II. Techniques expérimentales
1. Description des échantillons ......................................................................................................... 48
2. Spectroscopie d’annihilation des positons (PAS) .......................................................................... 52
3. Analyse par Réaction Nucléaire (NRA) .......................................................................................... 80
4. Techniques d’implantation et d’irradiation .................................................................................. 83

III. Création et comportement des défauts lacunaires dans le tungstène
1. Elimination des défauts natifs et évolution de la microstructure ................................................. 88
2. Défauts lacunaires induits par implantation / irradiation ........................................................... 100
3. Conclusion ................................................................................................................................... 144

IV. Comportement de l’hélium dans le tungstène
1. Implantation à basse énergie : rétention de l’hélium et stades précoces de nucléation ........... 146
2. Migration, désorption et précipitation de l’hélium implanté à moyenne énergie ..................... 162
3. Comportement de l’hélium implanté à haute énergie ............................................................... 175
4. Synthèse ...................................................................................................................................... 193

Conclusion générale……………………………………………………………………………………………………………………….195
Références……………………………………………………………………………………………………………………………………..200
Annexes………………………………………………………………………………………………………………………………………….208

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Remarque sur les notations
Nous tenons à faire remarquer que bien que ce travail soit rédigé en français, les figures et diagrammes sont
annotés en anglais. En effet, une partie des figures incluses dans ce travail sont extraites de publications en
langue anglaise, et il nous a paru plus commode de conserver l’anglais dans les figures. En outre, les techniques
expérimentales sont désignées par leur acronyme anglais car il s’agit de la forme la plus usitée pour désigner
une technique expérimentale.

Liste des acronymes

DB-PAS Doppler Broadening Positron Annihilation Spectrocopy
DIADDHEM DIspositif d'Analyse de la Diffusion du Deutérium et de l'HElium dans les Matériaux
ELM Edge Localised Mode
IFMIF International Fusion Material Irradiation Facility
ITER International Thermonuclear Experimental Reactor
JANNUS Jummalage d'Accélérateurs pour les Nanosciences, le Nucléaire et la Simulation
Joint Accelerators for Nanosciences and Nuclear Simulation
JET Joint European Torus
NEPOMUC NEutron-induced Positron source in MUniCh
NRA Nuclear Reaction Analysis
OKMC Object Kinetic Monte Carlo
PALS Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy
PAS Positon Annihilation Spectroscopy
PKA Primary Knock-on Atom
PLEPS Pulsed Low Energy Positron System
SEM Scanning Electron Microscop
SIA Self Interstitial Atom
SRIM Stopping and Ranging of Ion in Matter
TEM Transmission Electron Microscope
TOKAMAK тороидальная камера с магнитными катушками (chambre toroïdale à bobines magnétiques)
TRIM TRansport of Ion in Matter
VEPFIT Variable Energy Positron FIT

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