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Nov 26, 2023

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 16042 (2015) Citer cet article

La connaissance de l'évolution des propriétés mécaniques et physiques dues aux dommages causés par l'irradiation est essentielle pour le développement des futurs réacteurs à fission et à fusion. L'irradiation ionique fournit un excellent proxy pour étudier les dommages causés par l'irradiation, permettant des doses de dommages élevées sans activation de l'échantillon. La profondeur limitée de pénétration des ions signifie que seules des couches endommagées de quelques microns d’épaisseur sont produites. Des efforts considérables ont été consacrés à l’étude des propriétés mécaniques de ces fines couches implantées. Pourtant, bien que essentielles à la conception des réacteurs, leurs propriétés de transport thermique restent largement inexplorées faute de techniques de mesure adaptées. Nous démontrons ici des mesures de diffusivité thermique sans contact dans du tungstène implanté par des ions pour les armures à fusion nucléaire. L'alliage avec des éléments de transmutation et l'interaction du gaz retenu avec des défauts induits par l'implantation conduisent tous deux à des réductions spectaculaires de la diffusivité thermique. Ces changements sont bien capturés par nos approches de modélisation. Nos observations ont des implications importantes pour la conception des futures centrales électriques à fusion.

La fusion nucléaire est une source d’énergie durable idéale. Un obstacle majeur à son développement commercial est la disponibilité de matériaux suffisamment résistants. Les alliages à base de tungstène sont les principaux candidats pour les composants face au plasma dans les futurs réacteurs de fusion à confinement magnétique1. Dans un réacteur de démonstration (DEMO), ils seront exposés à des températures élevées (~1 500 K), à une irradiation avec des neutrons de fusion de 14,1 MeV et à un flux important d’ions énergétiques (jusqu’à 15 MWm−2)2,3. Une conductivité thermique élevée est l’un des principaux critères de sélection des matériaux4. Une dégradation significative de la conductivité thermique pourrait entraîner des températures excessives avec des conséquences potentiellement désastreuses sur l’intégrité du blindage de fusion5.

L'exposition de l'armure de fusion à des neutrons de 14,1 MeV entraîne des dommages en cascade et un alliage par transmutation. Les calculs indiquent qu'après 5 ans de fonctionnement, le tungstène (W) initialement pur dans un divertor DEMO contiendrait jusqu'à 4 % atomiques de rhénium (Re)6. Un alliage W-5%Re a moins de la moitié de la diffusivité thermique à température ambiante du tungstène pur7,8. Quantifier les effets des dommages causés par la cascade de neutrons de fusion sur la conductivité thermique est plus difficile. À titre de comparaison, le transport thermique dans le tungstène irradié par des neutrons de fission a été pris en compte9,10. Un niveau de dommage de 0,6 déplacements par atome (dpa), qui serait atteint en 3 mois dans DEMO6, a provoqué une réduction de la conductivité thermique à température ambiante de 25 %10.

Un rôle intéressant est joué par l’hélium, formé par transmutation6 et également implanté à partir du plasma dans la matrice de tungstène. À des températures élevées, l'hélium migre des surfaces vers la masse et interagit fortement avec les défauts induits par l'irradiation11, se liant aux lacunes12,13 et supprimant leur recombinaison avec les atomes auto-interstitiels (SIA)14. L'implantation d'ions hélium est un outil efficace pour étudier cette interaction15 et de gros efforts ont été investis dans le développement d'approches micromécaniques capables de quantifier les propriétés mécaniques de couches implantées d'ions d'une épaisseur d'un micron16,17,18.

Les propriétés de transport thermique des couches endommagées par les ions sont cependant encore largement inexplorées en raison du manque de techniques expérimentales appropriées. Les références citées ci-dessus utilisaient soit une technique de flash laser8,9,10, soit des mesures de résistivité électrique7. Les deux ne conviennent qu’aux échantillons en vrac. Récemment, deux nouvelles approches, la technique 3-oméga19 et les mesures de réflectance thermique20,21, ont été proposées pour quantifier le transport thermique dans de fines couches superficielles irradiées par des ions. Le premier nécessitait le dépôt de caractéristiques de surface complexes sur l’échantillon et montrait d’importantes incertitudes expérimentales. Ces dernières nécessitaient de revêtir des échantillons et la profondeur sondée dépendait de la diffusivité thermique, a priori inconnue.

Nous présentons ici une nouvelle approche totalement différente pour mesurer les propriétés de transport thermique des matériaux implantés par des ions. En utilisant la technique du réseau transitoire (TG) induit par laser sans contact22, nous quantifions la diffusivité thermique dans des couches de tungstène implantées à l'hélium de quelques microns d'épaisseur. L’effet de l’alliage par transmutation est imité en considérant les alliages tungstène-rhénium. Dans les deux types d’échantillons, nous constatons des changements substantiels dans la diffusivité thermique. Ils sont analysés à l’aide d’un modèle théorique cinétique, fournissant un aperçu de la répartition des défauts sous-jacents. Nos résultats sont discutés à la lumière des pratiques actuelles de conception des futurs réacteurs à fusion.