Thèse Etude Expérimentale de l'Évolution de la Microstructure et de la Microchimie à l'Échelle Nanométrique des Alliages de Zirconium Sous Irradiation H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences Laboratoire de recherche : CEA/SRMA - Service de Recherches Matériaux et Procédés Avancés Direction de la thèse : Fabien ONIMUS ORCID 0000000331956120 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-01T23:59:59 Les alliages à base de zirconium sont utilisés comme matériau de gainage du combustible nucléaire pour les réacteurs à eau pressurisée. En effet, les alliages de zirconium présentent une faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques et possèdent de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une grande résistance à la corrosion. Malgré plusieurs décennies de recherche, de nombreuses questions demeurent concernant l'évolution de la microstructure et de la microchimie des alliages de zirconium sous irradiation et leurs conséquences sur les propriétés de ces matériaux en réacteur.
L'irradiation neutronique dans les matériaux cristallins produit des cascades de déplacements qui génèrent de grandes quantités de défauts ponctuels, lacunes et interstitiels, qui s'agglomèrent pour former des amas. De plus, les éléments d'alliage se redistribuent sous irradiation sous l'influence de cette concentration élevée de défauts ponctuels. Dans les alliages Zr1%Nb on note notamment l'apparition sous irradiation d'une grande densité de nano-précipités riches en niobium. Ce phénomène surprenant semble avoir des conséquences importantes sur le comportement en fluage post-irradiation ou bien sur le comportement en corrosion en réacteur.
Ce travail de thèse, principalement expérimental, a en particulier pour objectif de mieux comprendre ce phénomène de précipitation sous irradiation des nano-précipités riches en niobium. Un alliage de zirconium Zr1%Nb sera irradié par des ions, à différentes doses d'irradiation et différentes températures, puis sera caractérisé par deux techniques expérimentales à une échelle très fine : la microscopie électronique en transmission (MET) et la sonde atomique tomographique (SAT). Ces deux techniques permettront d'accéder à la répartition des éléments chimiques dans le matériau à l'échelle atomique ainsi qu'à la caractérisation des amas de défauts ponctuels présents. Grâce à ces analyses microstructurales à l'échelle nanométrique, un scénario sera proposé pour expliquer le mécanisme de précipitation sous irradiation. Ses conséquences sur le comportement macroscopique seront également discutées. Forts de cette meilleure compréhension des mécanismes à l'échelle microscopique, les performances des alliages de zirconium en réacteur pourront être encore améliorées. Les alliages de zirconium sont utilisés comme matériau de gainage du combustible nucléaire pour les réacteurs à eau pressurisée. Ces alliages présentent une faible section efficace d'absorption des neutrons thermiques et possèdent de bonnes propriétés mécaniques ainsi qu'une grande résistance à la corrosion. Malgré plusieurs décennies de recherche, de nombreuses questions demeurent concernant l'évolution de la microstructure des alliages de zirconium sous irradiation et ses conséquences sur les propriétés de ces matériaux en réacteur. Comprendre l'évolution de la microstructure des alliages de zirconium sous irradiation et en particulier le phénomène de précipitation sous irradiation du niobium dans les alliages Zr-1%Nb. Le matériau utilisé pour ce projet sera principalement l'alliage de zirconium dénommé M5 (FRAMATOME). Cet alliage contient (% en poids) : Sn Sur la plateforme MOSAIC, des irradiations seront réalisées à faible énergie (2 MeV) à l'aide d'ions zirconium à des températures inférieures à 450 °C et des doses jusqu'à 10 dpa. Sur la plateforme Jannus-Saclay, une irradiation à moyenne énergie (12 MeV) peut être réalisée à l'aide d'ions d'or. La profondeur de pénétration des ions étant très faible (Dans un premier temps, sur tous ces échantillons, la microscopie électronique en transmission (MET) conventionnelle sera utilisée pour caractériser les défauts d'irradiation (taille, densité, vecteur de Burgers, nature des boucles, plan d'habitat, alignement) et les précipités (morphologie, taille, densité, alignement). Ensuite, la microscopie électronique à transmission haute résolution (HR-TEM et HR-STEM) sera utilisée pour analyser les défauts d'irradiation et la structure des précipités à l'échelle atomique. De plus, la microscopie électronique en transmission par balayage (STEM) utilisant la spectroscopie à dispersion d'énergie par rayons X (STEM-EDX) sera utilisée pour évaluer la distribution initiale des éléments d'alliage et leur redistribution sous irradiation à l'échelle nanométrique, voire à l'échelle atomique. Une technique très complémentaire, la sonde atomique tomographique (SAT), sera également utilisée pour caractériser la distribution des éléments d'alliage à l'échelle atomique.