1

ProjetexaminéparleConseilscientifiquedel’IN2P3,Octobre2016

Effetsdel’IrradiationetdelaDiffusion

Ontplusparticulièrementparticipéàlarédactiondecedocument:CENBG-Bordeaux:DenisHorlaitCSNSM-Orsay:FredericoGarridoetAurélieGentilsIPHC-Strasbourg:RémiBarillonIPN-Lyon:NathalieMoncoffreSubatech-Nantes:JohanVandenborre

Résumé

Les effets de l’irradiation et la diffusion dans les matériaux d’intérêt nucléaire définissent lescaractéristiquesclefsessentiellesàl’évaluationducomportementàlongtermedessolidesirradiés:(i)leur stabilité structuraleet chimiquesous irradiation; (ii) leur capacitéde confinementvis-à-visdesradioélémentspiégés;(iii)leurcomportementàl’interfacesolide-liquide.Cesdifférentsaspectssontsimulésexpérimentalementvial’emploidefaisceauxd’ionsaccélérés,quipermettentlareproductionde conditions d’irradiation complexes en l’affranchissant de toute radioactivité effective, ainsi quel’incorporationet lesuivid’analoguesstablesderadionucléidesd’intérêt.L’idéeforceest l’emploidesystèmesmodèles simplifiés et une approche à caractère paramétrique (choix des projectiles et deleurénergie,flux,fluence,etétudeséparéedecesparamètres).Lesaccélérateursetimplanteursd’ionsprésentsdansleslaboratoiresdel’IN2P3,dansunegammed’énergiecompriseentrelekeVetleGeV,apparaissentcommedesoutilsperformantsetparfaitementadaptésàcettedémarcheexpérimentale.Le choix des matériaux nucléaires étudiés est à la fois dicté par (i) des aspects purementtechnologiques (e.g. systèmes métalliques pour les aciers de cuve et de gaines de combustibles,céramiques comme combustibles, matrices de transmutation et de confinement, solides covalentscommemodérateurtelsquelecarburedeboreetlegraphite),quis’intègrentdanslesappelsàprojetslancésparlesprogrammesnationauxeteuropéens,(ii)maiségalementparlavolontédecomprendreles mécanismes des réorganisations microstructurales et structurales qui s’opèrent à l’échelleatomique,danslebutdeprédirelecomportementd’uneclassedonnéedesolides,voiredeprévoirlasynthèsedesmatériauxauxpropriétésaméliorées.Cedocumentrelatedemanièrenonexhaustivelesprincipauxaxesderecherchedenoslaboratoiressurcettethématique.

2

Enjeuxscientifiques

Ledomainedéfinissantleseffetsdel’irradiationdanslesmatériauxdunucléaireaprissonessoravecl’avènement des premiers réacteurs nucléaires pour la production d’énergie dans les annéescinquante. De nombreux travaux de recherche sont alors consacrés, à la fois d’un point de vueexpérimentaletauplanthéorique,auxeffetsdel’interactiondesparticulesaveclamatièreetàleurseffets. Les premières modélisations correspondent aux travaux de Kinchin et Pease à Harwell(première estimation du nombre de déplacements créés par un neutron dans un solide), puis sousl’impulsion de Jens Lindhard (Ecole de Aarhus), poursuivant les travaux pionniers de Niels Bohr.L’utilisation de petits accélérateurs et d’implanteurs d’ions, présents notamment au sein deslaboratoires de l’IN2P3 (Lyon, Orsay, Strasbourg), permet rapidement l’investigation del’endommagement induit par les collisions balistiques, associé à la formation de cascades dedéplacements.L’ouvertureduGANILaudébutdesannéesquatre-vingt,etlechoixdélibéréderéserverune fraction significative du temps de faisceau à des activités dites ‘péri-nucléaires’1donne uneimpulsionmajeureà cedomaine,permettantuneexplorationsystématiquedeseffetsde l’excitationélectronique dans les solides. Avec la loi Bataille de 1991 et sa révision de 2006, l’investigation ducomportement sous irradiationdematériauxpour lenucléaireprendunedimensionnouvelle (GDRPACEN, PACE), puisque le CNRS, et notamment l’IN2P3, sont amenés à conduire des recherchesstructuréesdanscedomaine,selonlestroisaxesdéfinisparlaloi.Silesmécanismesélémentairesdecréationdedéfautsdanslessolidessontdésormaisessentiellementconnus – à l’exception notable des effets de synergie –, le comportement d’un matériau dans desconditionsd’irradiationdonnéesne l’estgénéralementpascar ildépenddirectementdeparamètres‘matériau’, tels que la réorganisation des défauts élémentaires (paires de Frenkel, défautsélectroniques)endéfautspluscomplexes(e.g.amasdedéfauts,régionsamorphes),quidéfinissentinfinesastabilitéstructurale(amorphisation,transformationdephase,polygonisation).L’enjeumajeurde ce domaine est ainsi de faire le lien entre les mécanismes de production de défauts à l’échelleatomique (dimensions caractéristiques de l’ordre du nanomètre et du femto et pico seconde) et laréorganisationdusolideentermesdestructureetdemicrostructure(échellemacroetduréecompriseentrelasecondeetlemilliond’années).Sidifférentesapprochesexpérimentalessontpermises,l’idéeforce est fréquemment de s’intéresser à une classe de solides donnée, de sorte d’en déduire descomportements de portée plus générale (grandes classes d’aciers, oxydes de structure fluorine etapparentées).LaChimieet laPhysiquedeseffetsd'irradiationdoiventserviràconstruiredesmodèlesquantitatifscapables de prédire l'évolution des propriétés physico-chimiques des matériaux nucléaires, dontdépendentengrandepartielasûretéetladuréedeviedesinstallations,etconcevoirdesmatériauxderésistance améliorée pour les filières actuelles et futures. La validation expérimentale estindispensable pour conforter les modèles physiques élémentaires, les alimenter en paramètresfondamentauxetconfirmerlacohérenceentrelesmodèlesauxdifférenteséchelles.L'irradiationavecdes particules chargées s'impose par ses avantages décisifs que sont la courte durée des essais, lasouplesse de paramétrisation, la facilité de manipulation des échantillons (généralement nonradioactifs) en vue de leur caractérisation, et par conséquent le coût et la durée considérablementinférieursàceuxd'irradiationsenréacteurs.Lesconditionsd'irradiationauxquellessontsoumisesunmatériau en réacteur, ou un matériau de stockage ou d'entreposage2sont souvent complexes etmélangentdescontributionsd'ordrepurementbalistique-lacréationdedéfautsd'irradiationetleurréorganisation-etpurementchimique-laformationdeproduitsdefissionoudenoyauxfilsderecul-,dont il est très difficile, voire généralement impossible, de quantifier l'importance sur lamicrostructure finale du solide irradié. Dans ce cadre, une partie importante des études conduitesdans les laboratoiresde l’IN2P3estaxéesur lasimulationexpérimentaledeseffetsdel'irradiation, etcherche à reproduire, autour d'un ensemble de machines accélératrices, de manière contrôlée, lesconditionsd’irradiationprévalentesdansunesituationréelle-voirelescaractéristiquesphysiqueset

1Cechoixavaitnotammentété très fortementdéfenduparYvesQuéré,alorsDirecteurde l’actuelLaboratoiredesSolidesIrradiésdel’EcolePolytechnique.2Levocabulairedelacommunautédesmatériauxdunucléairedistingueletermeentreposage,quisous-entendunesolutiontemporaire de confinement des éléments radiotoxiques dans le solide considéré, du terme stockage pour lequel lesradioélémentsincorporéssontcensésyêtrepiégésdemanièredéfinitive.

3

chimiquesdematériauxirradiés-avecuneapprocheàcaractèreparamétrique.L'idéeforceconsisteainsiàvarierlesparamètresdemanièreséparéeafindedéterminerdansdesconditionsd'irradiationdonnéeslesparamètresessentielsquigouvernentlecomportementdusolideirradié(parexemplelesdéfautsd'irradiationcrééspar lacontributionélastique),puisàétudier, lecaséchéant leséventuelseffetsdesynergieentrelesdifférentescontributionsidentifiées.Danscecontexte,l'irradiationàl'aidedefaisceauxdeparticulesaccélérées(accélérateurARAMIS2MVetimplanteurd’ionsIRMA190kVdelaplateformeSCALPduCSNSM,accélérateurVandeGraaff4MVetimplanteurd’ionsdelaplateformeANAFIREde l’IPNL,accélérateurGANIL,cyclotronARRONAXdeNantes,cyclotronCYRCÉde l’IPHC),offreplusieurspossibilitésmajeures,quienfontunoutildechoix:

(i) L'irradiationioniquepermetdesimulerleseffetsdel'irradiationintervenantenréacteur,

dans son proche environnement, ou plus généralement pour des matériaux sousirradiation(matricesdeconfinementparexemple).Lechoixdelanatureetdel'énergiedufaisceaudictentlesconditionsderalentissementetinfinelanaturedesdéfautscréés:

• Desconditionsderalentissementélectroniquepursontréaliséespar l'emploidegrandsaccélérateursnationauxd'ions(GANIL,Tandemdel’IPNO),capablesd'accélérerdesionsavecdesénergiescinétiquessupérieuresà1MeV.uma-1;cesconditionssimulentnotammentlaproductiondedéfautsinduiteparlesfragmentsdefissiondel'uranium(énergiecinétiquedel'ordrede100MeV)ouparlesparticulesalphaénergétiques issues de réactions de désintégration alpha d'un noyau lourd présent dans le solide(environ5MeV) .Lasimulationdesparticulesalphaénergétiquespeutégalementse faireauprèsdesaccélérateursdeplusbasseénergiedeslaboratoiresIN2P3.

• Lesconditionsderalentissementdebasseénergie,typiquementpourdesprojectilesd'énergiecinétiqueinférieureà100keV.uma-1,sontreproduitessurdepetitsaccélérateursélectrostatiques;lescascadesdecollisions, responsables de la dissipation de l'énergie duprojectile, simulent l'effet du noyaude recullorsd'unedésintégrationalpha (l'énergie cinétiqueest typiquementde l'ordrede100keV), l'effetduralentissement des fragments de fission en fin de parcours, voire l'irradiation avec des neutrons(contrairementauxidéesreçueslesionslourdsdebasseénergiereproduisentdemanièreassezréalistele spectreenénergiedesatomesdéplacéspardesneutrons incidents, alorsque l'irradiationavecdesions légerss'enécarte totalement; l’équivalenceentre irradiationauxneutronset leursimulationpardes ionsestunenjeudepuis ledébutde l’èreélectronucléaireetsepositionnedenouveaucommeunthèmed’actualitédepuispeu).

• En dehors des conditions de ralentissements électroniques ou élastiques quasiment purs, le régimed'énergieintermédiairecorrespondàundomainepourlequellesdeuxtypesderalentissementexistentenproportionappréciablesetsontsusceptiblesderenforcerleurseffetsséparéspardesmécanismesdesynergie. Ces effets, encore très méconnus, sont au cœur de la démarche entreprise autour desplateformesJANNuSàOrsayetSaclay.

• L’irradiationpermetégalementdesimulerleseffetsderadiolysedesliquidesetdesgazauxinterfacesaveclessolidesirradiésounonetdemesurerl’influencedelaproductiondesradicauxsurlessolidessituésdansunenvironnementproche.Laradiolysedel’eaujouenotammentunrôleprépondérantdanslecomportementsousirradiationducombustible,delagaineetdesélémentsdecuveàleurinterface.Laradiolyse correspond à une décomposition chimique sous irradiation qui conduit à la formation deproduits radicalaires. Pour l’ensemble des particules et rayonnements ionisants, le phénomène deradiolyse se déroule en trois étapes : physique, physico-chimique et chimique. Au cours des deuxpremières étapes, lesmolécules ionisées ou excitées instables se dissocient pour former des espècesradicalaires et les électrons secondaires éjectés excitent et ionisent d’autres molécules. Au cours del’étapechimique,lesradicauxinteragissententreeuxpourformerdesespècesmoléculaires.Cetteétapepeutêtrediviséeenunesuitedephénomènesprimairesetsecondaires.L’étapeprimairesecaractérisepar une chimie hétérogène le long des trajectoires des particules ou rayonnements ionisants. Ladiffusion des espèces créées, radicalaires etmoléculaires, conduit à leur distribution homogène danstout le système. Puis, lors de l’étape secondaire, une chimie homogène débute dont les réactionsaboutissentàlaproductiondemoléculesetradicauxsecondaires.Lemilieuradiolysécontientdoncunmélangecomplexedeproduitsderéactions.Pourchacund’entreeux,ondéfinitlerendementprimaireGqui est égal au nombre de molécules ou radicaux formés pour une énergie absorbée de 100 eV. Cerendementvarieavecdifférentsparamètrestelsqueledébitdedose,lepH(lorsquelemilieuirradiéestunesolution)etlepouvoird’arrêtélectroniquedumilieuirradiéqui,danslecasdesliquidesetdesgaz,sedéfinitparleTransfertd'EnergieLinéique(TEL).LeTELvarieselonletypederayonnementionisant:rayonnement électromagnétique, particules α, faisceaux d'ions, ce qui conduit à des rendements enproduits radiolytiques différents. La radiolyse entraîne ainsi la production de produits radicalairesextrêmement réactifs avec leur environnement. Ceci conduit à la formation de nouvelles espèceschimiquesetlamodificationdelaconcentrationdecertainesespècesprésentesenfonctiondelanature

4

etdel’énergiedesrayonnements.Enmilieunucléaire,lessolidesirradiésaucontactd’unliquideoud’ungazsubissent leseffetsde la radiolyseque l’onpeut simulerpardes irradiationsaux ions.Cesétudesnécessitentlamiseenœuvrededispositifsspécifiquespermettantl’irradiationenmodefaisceauextrait.A l’IPNL,plusieurs cellulesd’irradiationontété conçueset réaliséespourmeneràbiencesétudesderadiolyse.Cesdispositifspermettentnotammentd’ajusterlesvaleursduTELdemanièreàproduirelemaximum d’espèces radicalaires aux interfaces gaz/solide ou liquide/solide. Ainsi, dans le cas desréacteursnucléairesdepremièregénérationdetypeUNGGdanslesquelslecaloporteurétaitconstituémajoritairementdedioxydede carbone, la radiolysede ce gazqui a conduit à la formationd’espècesradicalairestrèsoxydantesfavorisantlacorrosiondugraphiteetdoncsapertedemasseenentraînantunefortedétériorationdesescapacitésàmodérerlesneutronsapuêtresimuléeenlaboratoire.L’effetde l’irradiation est également crucial pour comprendre la spéciation des radioéléments en solutionaqueuse, notamment pour les méthodes d’extraction utilisées en aval du cycle électronucléaire. Ilnécessite le développement d’approches dosimétriques spécifiques pour déterminer précisément lesrendementsdeproductiond’espècesradicalairescomme°OHoumoléculairecommeH2,enparticuliersousrayonnementalpha.Cesdéveloppementstrouventaussidesapplicationsdirectesdans l’étudedemolécules d’importance naturelle tels que les carbonates, et de molécules d’intérêt biologique. Cesdéveloppements dosimétriques trouvent finalement des applications directes dans des domaines enpleinessorcommel’hadronthérapie;

(ii) L'implantationionique,danssafonctiondedopage,autorisel'incorporationd'unequantitéparfaitement définie d'un isotope d'un élément chimique donné dans un matériau. Ellepermet par exemple, de simuler la présence d'un produit de fission (PF) donné ou d’unproduit d’activation, via l'incorporation d'un analogue stable de l'isotope radioactifd'intérêt, et de suivre son devenir dans différentes conditions physico-chimiques, ens'affranchissantdetouteradioactivitéeffective.Ilestainsipossibled'évaluerlacapacitédeconfinement d'une matrice nucléaire, éventuellement soumise à l'irradiation et à latempérature (de manière couplée ou découplée), propriété essentielle d'un matériaunucléaire.Lecomportementd'espècesinsolublesdanslesolide(telsquelesgazdefissionparexemple,xénonetkrypton,particulièrementétudiésauCENBG)ousolubles,peutêtreétudiéà touteconcentration incorporée,depuis lasimpleprésenced'hétéro-atomesdanslesolideconsidéréjusqu'àlaformationdeprécipitésinsolubles.Ilestànoterquecesdeuxpossibilités - irradiation et dopage - sont intimement liées: le choix de la nature et del'énergie des ions considérés permettent de se placer dans des conditions d'irradiationpure, de dopage pur, voire de mélanger à souhait la contribution balistique et lacontribution chimique. Ce choix offre également une voie d’accès particulièrementoriginaledesynthèsedematériauxsousirradiation,avecnotammentlapossibilitédecréerdes amas des dimensions nanométriques dans une matrice et de comprendre leurcomportementultimesousirradiationlorsqu’ilssontformés(parexemplelaformationdenano-amasd’oxydesrépartisdansdesaciers,formantdesODS);

(iii) Les techniques de microanalyse nucléaires, développées autour de petits accélérateurs

d'ions, permettent de caractériser la surface d'un solide sur une épaisseur typique del'ordredeplusieursmicromètres.Ellepermettentlacaractérisationphysiqueetchimiqueentermesdecompositionélémentaireavecunedistributionenprofondeurderésolutioninférieureà10nm,vialebombardementdelasurfaceavecdesionslégers(typiquementprotons, hélium, voire des faisceaux de deutérons pour l'obtention d'information sur leséléments légers) puis leur détection après diffusion (spectrométrie de rétrodiffusionRutherford,analyseparréactionnucléaire,détectiondesionsderecul,émissionderayonsX par bombardement d'ions légers énergétiques). Bien que la majorité des expériencessoient réalisées à l'aide d'un faisceau de dimension typiquementmillimétrique, l'emploid'un micro-faisceau permet l'accès à une résolution latérale inférieure au micromètre(ligne actuellement en cours de développement sur la plateforme SCALP) pour l'étuded'échantillonshétérogènes.Parmicesdifférentestechniques,lacanalisationd'ionscoupléeà laspectrométriederétrodiffusionRutherford(voireà l'analyseparréactionnucléaire),fondéesurlephénomènedefocalisationdesionsincidentsparlesrangéescristallinesd'unmonocristal,permetdequantifierl'endommagementd'unsolideetd'avoirainsiaccèsàladistributionenprofondeurdesatomesdéplacés,parexemplesousl'effetdel'irradiation,etladéterminationdelanaturedesdéfautsengendrés.Cettetechnique,unique,est,ànotre

5

connaissance,laseulecapabledefourniruneinformationspatialerelativeàlafractiondesatomesd'unsolidedéplacéssous l'effetde l'irradiation, toutenétantsensibleàunsous-réseaudonnédusolideconsidéré.

Outre les conditions d'irradiation ou de dopage, le paramètre température est essentiel puisqu'ilgouvernelarecombinaisondesdéfautsd'irradiationoularéorganisationdesdéfautsélémentairesendéfautsétendusparexemple.L'ensembledesinstallationsaccélératricesdisposedeporte-échantillonspermettantl'irradiation-etmêmel'analyseparfaisceauxd'ionspourcertainesd'elles-dansunelargegammedetempératures,comprisesentre20et1000K.Cettepossibilitéestessentielle,notammentdufaitdesphénomènesdediffusionaccéléréeparl'irradiation:l'irradiationinduitunecomposanteditebalistique dans les phénomènes de diffusion d'une impureté par exemple, qui se superpose à ladiffusionthermiqueclassique.L’unedesparticularitésdelaplateformeSCALPduCSNSMestdeposséderunmicroscopeélectroniqueentransmission(MET)équipédetechniquesanalytiques,coupléauxdeuxaccélérateursd’ionsIRMAet ARAMIS, permettant l’observation et l’analyse in situ desmodifications dematériaux sous un oudeux faisceaux d’ions, à une température choisie (-200 à 1300°C). Ce couplage est appelé JANNuS-Orsay(membreduGISJANNuS),etestnotammentouvertauxutilisateursextérieursvialesappelsàpropositionsannuelsdelaFédérationdesaccélérateursEMIR(EtudedesMatériauxsousIRradiation).Ces expériences permettent par exemple de simuler expérimentalement le comportement d’unmatériauenréacteurnucléaire(unfaisceaud’ionsdel’ordreduMeVsimulantledommagecrééparlesneutrons, et l’autre, de plus basse énergie (10-20 keV) permettant l’incorporation d’héliumproduitparréactionsnucléairesenréacteur),toutenobservantetanalysantparMETinsitulesmodificationsstructuralesetchimiquesdumatériauconsidéré,àunetempératurechoisie.Ainsi, les enjeux principaux de ce domaine sont de simuler le comportement sous irradiation desmatériauxnucléaires, en termesde stabilité structuraleetmicrostructurale,d’évaluer la capacitédeconfinementetderétentionderadioélémentspiégés,voiredeprédireleurcomportementàpartiràlafoisd’expériencesmodèlesetdesimulationsnumériques.Lesprincipauxmatériauxnucléairesd’intérêtserépartissentselonlesgrandesclassessuivantes(cettelisten’estpaslimitativeetévoluenotammentenfonctiondesprioritésdéfiniesparlesprogrammes–défiNEEDSparexemple):

(i) Matériaux métalliques: les aciers ferrito-martensitiques et austénitiques (pour lesréacteurs de génération 4 et les réacteurs de fusion, et aciers de cuve des réacteurs enusageactuellement);aciersdenouvellegénérationtypeODS;gainedezircalloy(zirconiumallié);

(ii) Matériaux ioniques et iono-covalents: solides de structure fluorine et de structuresapparentéesàlafluorine(dioxyded’uranium–combustiblenucléaire-,zirconestabilisée,oxydes de pyrochlores, sesquioxydes de terres rares), envisagés comme matrices detransmutationoudeconfinement;

(iii) Matériaux covalents: graphite (modérateur des anciens réacteurs UNGG); carburesenvisagés pour le gainage des combustibles dans les réacteurs à caloporteur gaz (SiC),carburesenvisagéscommeabsorbantsdanslesréacteursàneutronsrapides(B4C);

En outre, ce rapport intègre également les effets de l’irradiation d’un point de vue davantagefondamental,aussibienquantauxmécanismesphysiquesdel’interactionion-matièreetleseffetsdesynergie associés, que des effets des rayonnements ionisants à l’échelle moléculaire pour ladosimétrie.Les prochaines sections décrivent par sous-projet les principales recherches conduites dans noslaboratoires.

6

1. Matériaux métalliques sous irradiation: alliages ferritiques et austénitiques,tungstène

Cesétudesse focalisentsur lecomportementà l’échellemicrostructuraledesmatériauxmétalliquessousirradiationionique(e.g.aciersferritiquesetausténitiques,tungstène)avecenparticulierl’étudefine du rôle des défauts (dislocations, boucles de dislocations, bulles/cavités, interactiondislocations/interfaces). Elles nécessitent l’utilisation de plusieurs techniques de MicroscopieElectroniqueenTransmission(METenchampclair,champsombre,champfaible)assistéespardelasimulationdecontrastedecesdéfautssurordinateur.Cesmatériauxmétalliquessontutilisésousontsusceptibles d’être utilisés en tant que matériaux de structure des réacteurs nucléaires actuels(internesdecuve,…),etdesréacteursdufutur(GenIV,fusion).Laco-influencedel’irradiationetdelaprésenced’hélium,produitenréacteurnucléaire,estégalementunaspectimportantdanscesétudessurlesmatériauxmétalliquessousirradiation.Touscesrésultatspermettentdemieuxcomprendrelesphénomènes à l’échelle atomique et d’améliorer lesmodélisations et simulations notamment sur levieillissement des composants des systèmes nucléaires. Les observations à l’échelle nanométriquerendent possibles de réels progrès dans la compréhension des phénomènes à l’origine de ladégradation des matériaux. L’objectif de ces études est double: (i) proposer des mécanismesfondamentauxquis'appliquentàunefamilled'alliagesetnonpasàunecompositionparticulière,(ii)corréler, dans lamesure du possible, le comportementmicroscopique aumacroscopique en vue dedégagerunaspectprédictifducomportementdumatériau.Lesproductionsscientifiquesattenduessontdespublicationsdansdesrevuesàcomitédelecture,desprésentationslorsdeconférencesinternationales,etdesthèses.

1.1. GenèseetcalendrierLeCSNSM,auniveaudunucléaire,participeactivementdepuislesannées2007-2008auxrecherchesfaisant appel à la plateforme JANNuS-Orsay dans le cadre des appels d’offres (Fédération EMIR,consortiums européens EFDA et EUROFUSION) et de contrats européens (GETMAT, PERFORM60,MATISSE et SOTERIA).Depuis septembre 2014, B.Décamps a établi une forte collaboration avec leGPM de Rouen (UMR CNRS 6634) dans le cadre du projet GENESIS (Groupe d’Etudes et deNanoanalyses des effets d’irradiation). Il est ainsi possible de profiter d’un MET de toute dernièregénération et profiter d’une structure dédiée à l’étude poussée desmatériaux du nucléaire dans lecadredecollaborationsà traversdescontratsoudescodirectionsderecherchededoctorantsoudepost-doctorants (Projets européens SOTERIA et MATISSE, Thèses O. Tissot, B. Michaut et L.Belkacémi).LeprojetCoIrrHeSimestquantàluinéd’unerencontreavecEDFR&Den2009lorsd’uneécolesurlaMicroscopieElectroniqueenTransmission(MET).Ilaétéfinancéparl’ANRentreoctobre2011etjuin2015.Lesproductionsassociéessont listéessur lesitewebhttp://www.csnsm.in2p3.fr/CoIrrHeSim.LesdifférentesexpériencesassociéesàceprojetréaliséessurlaplateformeJANNuS-OrsayduCSNSMont été sélectionnéespar le comité scientifiquede laFédérationdes accélérateursEMIR (EtudedesMatériauxsousIRradiation).

1.2. Étatdel’artDenombreusesétudesontdéjàeu lieusurcertainsmatériauxmétalliquessoumisàdes irradiationsdepuis des dizaines d’années, notamment les aciers ferritiques et austénitiques. Les techniques decaractérisation évoluant, de nouvelles études ont été lancées ces dernières années dans le cas deprojets nationaux (à travers des accords tripartites CEA-EDF-AREVA) et projets européens, surcertainsaspectsrestantencoreàélucider(éventuelgonflementdematériauxenréacteurs,nouveauxmatériauxpourlesfutursréacteurs,etc.).Bienquelaconcurrencemondialesoitfortesurlathématique(USA,Japon,UK),leCSNSMbénéficiedel’outilmajeurqu’estlaplateformeJANNuS-Orsay(MicroscopeElectroniqueenTransmissioncoupléàdeuxaccélérateursd’ions)quipermetl’observationdirecte,insitu,etl’étudedeseffetsd’irradiationetdes modifications structurales et chimiques induites dans les matériaux (par exemple d’une partsimulation expérimentale de l’endommagement induit par les neutrons à l’aide d’ions lourds dequelquesMeVdélivréspar l’accélérateurARAMIS, et incorporationd’héliumà l’aidede l’implanteurioniqued’autrepart,simultanémentounon,insitudanslemicroscope,etàunetempératurechoisie).LaspécificitédecetteplateformeattireparailleursactuellementauCSNSMdenombreuxchercheursfrançais (majoritairement CEA) et étrangers (par exemple Queen’s University Canada, University of

7

WisconsinUSA, ShimaneUniversity Japon). Les trois chercheures impliquéesdans cette thématique(cf. §1.3) sont toutes contact local sur la plateforme JANNuS-Orsay et dans ce cadre, accueillent leséquipes de recherche et participent à la réalisation d’expériences de microscopie in situ, encollaborationounon.CecirenforcelesliensduCSNSMaveclacommunautédessystèmesmétalliquessous irradiation (alliages ferritiques, austénitiques, zirconium, alliages d’aluminium), et donne auCSNSMunepositionrelativementprivilégiéedansledomaine.

1.3. RessourcesetmoyensRessourceshumaines:PourleprojetCoIrrHeSim,3permanentsduCSNSM(F.Fortuna(IR),A.Gentils(CR),S.Jublot-Leclerc(CR)),correspondantà1,6ETP;unpost-doc(2011-2012).LafractionduCSNSMreprésente47%entermehumaindansceprojetquiétaitencollaborationavecEDFR&DLesRenardières,UMET(UMRUnivLilleetCNRS),etCEA/DEN/DMN/SRMP.Pourtouscesprojets,soutiendel’équipeaccélérateur/JANNuS-Orsay/SCALPduCSNSM:3AIet2IRimpliqués à temps partiel (irradiation et implantation ioniques ARAMIS et IRMA, maintenance etdéveloppementduMET).Pourlesautresprojets,1chercheurepermanenteduCSNSM(B.Décamps,DR),correspondantà1ETP;entre2et3étudiantsenthèse.CesprojetssontréalisésencollaborationavecleCEA/DEN/DMN,leGPM(UMRUnivRouen),etleCEMHTI(UPROrléans).

Ressourcesfinancières:Projet Coût

CoIrrHeSim(ANR-11-BS09-006)2011-2015,coordonnéparleCSNSM(A.Gentils)

Coût global: 1 745 000 € (incluant les salaires),subvention ANR: 465 k€, dont 250 k€ pour le CSNSM(post-doc, équipement microscope, et fonctionnement accélérateurs);autresourcedefinancement:soutiendebase(etsalaires)IN2P3etprestations(fonctionnementaccélérateursetMET)

B.Décamps,partenairedesprojets:SOTERIA(H2020-EURATOM_GA661913)MatISSE(FP7-EURATOM_GA604862)SAFETy,ARMADA,INDIGO,DIRMAXProjetsterminés:ETICGETMAT(FP7-EURATOM_GA212175)PERFORM60(FP7-EURATOM_232612)

BudgetpourleCSNSM(missions,fonctionnement):9k€(autotalpourlapériode2015-2019)10k€(autotalpourlapériode2013-2017)12,5k€autotal,DéfiNEEDS-Matériaux201613k€sur2013-2015,DéfiNEEDS-Matériaux23k€pourlapériode2008-201263k€pourlapériode2009-2013

1.4. RéalisationstechniquesLa thématique nécessite de maintenir la plateforme JANNuS-Orsay (exploitée et développée par leservice Sémiramis du CSNSM) en bon état de fonctionnement et, qui plus est, de maintenir soncaractèreuniqueetinnovantviadesdéveloppements.Pourlapartiemicroscopie,lesprojetsencoursou à venir visent (i) à l’acquisition d’une caméra ultra rapide, i. e., à grande vitesse d’acquisition,permettant d’observer finement la dynamique d’endommagement, les mécanismes critiquesd’endommagementdesmatériaux soumisàdes faisceauxd’ionsétant très rapides (coûtestimé250k€),(ii)àl’acquisitiond’unporte-objetdouble-tiltrotationestiméà60k€pourétendrelagammedeconditions d’observation des défauts créés, et avoir une vision plus complète de l’endommagementcréésousirradiation,(iii)auremplacementdudétecteurEDX(EnergyDispersiveX-raySpectroscopy,coût estimé 70 k€) datant des années 1990, utilisé pour l’analyse chimique desmatériaux, afin debénéficiernotammentunemeilleurerésolutionenénergieetd’unemeilleurefiabilité.A plus long terme, le remplacement du microscope est également à prévoir, ce dernier étantvieillissant. Un microscope plus récent et plus performant serait par ailleurs un atout pourl’attractivitédelaplateformeauniveauinternational.

1.5. Auto-analyseSWOTForces:compétencesscientifiquesettechniquesdeséquipes,caractèreuniqueduMETinsituavecdesions, accélérateurs de la plateforme SCALP couvrant une large gamme de possibilités en termed’implantation/irradiationioniqueFaiblesses:peudechercheurspermanents,étudescoûteusesentemps

8

Opportunités:nombreusescollaborationsnationales,ycomprisavecdesindustriels,enpartiedufaitdel’attractivitédelaplateformeJANNuS-OrsayMenaces:pannespotentiellessurmicroscope

2. Compréhensiondelasynthèsedesnano-amasd’oxydesdanslesaciersODS

La présence de nano-amas d’oxydes dans les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened Steel),envisagéspour lesgainagesdescombustiblespour lesréacteursnucléairesdu futur(GenIV, fusion),leur confère d’excellentes propriétés mécaniques sous irradiation. En dépit de récentes avancées,quelques points restent incompris en ce qui concerne la formation des nano-oxydes lors de lafabrication des aciers ODS, actuellement basée sur un cobroyage de poudres et des traitementsthermomécaniques. L’implantation ionique est une technique de choix que nous utilisons dans ceprojetpoursimulerexpérimentalement l’apparitiondecesnano-oxydesetétudier leur formationetcroissancesuivantdifférentesconditions,difficilementounonaccessiblesparlaméthodeclassique.Lacompréhension approfondie desmécanismes de précipitation de ces nano-oxydes permettrait alorsd’optimiserleurfabricationindustrielle,etparlasuiteleurspropriétésenservice.Lacompréhensiondel’influencedelaprésencedegazhéliumet/ouhydrogène(simultanémentounonàuneirradiation)sur le comportement de ces nano-oxydes est également un projet qui débute, sur des aciers ODSindustrielsetmodèles.Lesproductionsscientifiquesattenduessontdespublicationsdansdesrevuesàcomitédelecture,desprésentationslorsdeconférencesinternationales,etdesthèses.

2.1. GenèseetcalendrierCe projet est né en 2010 lors de discussions avec J. Ribis (CEA/DEN/DMN/SRMA), lors d’uneexpérienced’irradiation insitud’aciersODSsur laplateformeJANNuS-Orsaypour laquelleA.Gentils(CSNSM)étaitcontactlocal.Ilestapparuclairementquecesmécanismesdeformationdesnano-amasd’oxydes dispersés dans ces aciers ODS étaient encore mal compris. La faisabilité expérimentaled’utiliserdesfaisceauxd’ionspoursynthétisercesnano-oxydesaétédémontréelorsdelathèsedeCeZheng(2012-2015,EDMIPEGE/PHENIICS,financementUniversitéParis-Sud/Paris-Saclay,enétroitecollaborationavecJ.Ribis)danslecasd’unsystèmemodèle(Al,O).LathèsedeMartinOwusu-Mensahsur ce sujet vient de débuter (2016-2019, ED PHENIICS, financement Université Paris-Sud / Paris-Saclay),pourcomprendrelespremièresétapesdelaformationdecesnano-amasd’oxydes,danslecasdu système (Y,Ti,O), composition chimique «industrielle» de ces oxydes. La caractérisationexpérimentaledesnano-oxydesformésesteffectuéeprincipalementparMicroscopieElectroniqueenTransmission (MET)sur laplateforme JANNuS-OrsayetauCEA/SRMA.Une fortecollaborationavecl’équipe de V. Borodin (NRC Kurchatov Institut, Moscou) existe également sur ce projet (PICS/PRC«PROXIMITE» 2015-2017), nous permettant un couplage expériences et simulations numériques,indispensableàlacompréhensionfinedecesmécanismes.Ceprojetaétépositivementévaluéparleconseil scientifique du CSNSM enmai 2015, et sélectionné en projet à soutenir par le Défi NEEDSMatériauxen2013 (non soutenu les années suivantesmalgrédes soumissionsauxappels àprojet).Les productions scientifiques passées sont indiquées sur la page web du projethttp://www.csnsm.in2p3.fr/Understanding-ODS-formation.La compréhension de l’influence de la présence de gaz sur le comportement de ces nano-oxydes(formésparimplantationionique,ou«industriels»)estégalementunprojetquidébutedanslecadredelathèsed’OlgaEmelianovaencotutelleavecl’UniversitéMEPhI(Moscou,Russie).

2.2. Étatdel’artPeud’étudesutilisantlesfaisceauxd’ionscommemoyendesynthèsedecesnano-amasd’oxydedansdesaciersafindecomprendreleurmécanismesdeformationontactuellementlieudanslemonde(lalittératureestassezpauvre),mais lesujetestdeplusenplusd’actualité,notammentauxEtats-Unis.Une autre équipe française travaille également en concurrence sur cette thématique (coordinationCEMHTI,UPRCNRS3079).IlestànoterquelesrésultatsobtenussurunsystèmemodèledanslecadredelathèsedeCeZheng(2012-2015) sont complètement applicables auxmatériaux industriels (i.e. fabriquéspar cobroyagede poudres et traitements thermiques) : en effet l’implantation ionique reproduit les conditions dubroyage (incorporationde lacunesetd’élémentschimiquesmétalliques, telsqueYetTiouAl,etdel’oxygène),et lestraitementsthermiquessonteffectuésàdestempératureséquivalentesàcellesdes

9

traitements thermo-mécaniques industriels. Ainsi de récentes études réalisées au CEA et aux Etats-Unissurdesmatériauxindustrielsmontrentlesmêmesrésultatsquelesnôtres,àsavoirl’apparitiondèslaphasedebroyagedecesnano-oxydes,avecunecompositionetunestructurecristallographiquehors-équilibre.

2.3. RessourcesetmoyensRessourceshumaines:3permanentsduCSNSM (A.GentilsCR1, 0.8ETP), S. Jublot-Leclerc (CR1, 0.5ETPdepuis2016), C.Baumier(IR,0.1ETPdepuis2016)),etdeuxdoctorants(2016-2019,dontunethèseencotutellesoit1,5ETP),cequifaituntotalde2.9ETP.Lafractiondel’IN2P3représente70%entermehumaindansceprojetquiestencollaborationavecleNRCKurchatovInstitutetNRNUMEPhI(Moscou,Russie),etle CEA Saclay, DEN/DMN/SRMA/LA2M. Egalement soutien de l’équipe accélérateur JANNuS-OrsaySCALPduCSNSM:3AIet2IRimpliquésàtempspartiel(irradiationetimplantationioniquesARAMISetIRMA,maintenanceetdéveloppementduMET).Ressourcesfinancières:

Année Demandé Obtenu Détails2013 55k€ 6k€ DéfiNEEDS-Matériaux(fonctionnement,missions)2014et2016 40et47k€ 0 DéfiNEEDS-Matériaux(pasd’appelen2015)2014 4k€ APIN2P3(fonctionnementetmissions)2015 3k€ APIN2P3(fonctionnementetmissions)2016 2k€ APIN2P3(fonctionnementetmissions)2015-2017 5,8k€/an PICS/PRCRussie(missions)

Lesdifférentessourcesdefinancementdeceprojetsontlistéesparannéedansletableauci-dessus.Nesont pasmentionnés : (i) le soutien de base annuel (de l’ordre de à 3 à 7 k€par an, suivant lenombre de personnes travaillant sur le projet); (ii) le coût de fonctionnement des accélérateurs etmicroscope de la plateforme JANNuS-Orsay/SCALP, estimé à environ 30 k€ par an pour ce projet(basé sur le nombre de jours d’utilisation et le tarif académique desmachines tel que validé par laDR4);(iii)lesfinancementsdeboursedethèse,prisenchargeparl’UniversitéParis-Sud/Paris-Saclay(2012-2015et2016-2019),etparl’AmbassadedeFranceàMoscou(bourseVernadski,pourlathèseencotutelle2016-2019).

2.4. RéalisationstechniquesLesréalisationstechniquesenvisagéespourceprojetsontd’unepart(i)desdéveloppementspropresà lapréparation, traitements thermiquesetstockagesousvidedesmatériaux,quiserontréaliséseninterne suivant le financementdisponible, et enpartie coordonnésparC.Baumier, IR en chargeduMETettravaillantnotammentsurceprojetdepuis2016;(ii)desdéveloppements liésauMETde laplateforme JANNuS-Orsay du CSNSM, décrits dans le précédent paragraphe 1) dédié auxmatériauxmétalliquessousirradiation.

2.5. Auto-analyseSWOTForces:compétencesscientifiquesettechniquesdeséquipes,caractèreuniqueduMETinsituavecdesions, accélérateurs de la plateforme SCALP couvrant une large gamme de possibilités en termed’implantation/irradiationioniqueFaiblesses:étudesexpérimentalescoûteusesentemps…avantdepouvoirpublierOpportunités:collaborationsinternationalesencoursdedéveloppementMenaces:pannespotentiellessurmicroscope

3. Simulation expérimentale des effets de l’irradiation dans les oxydes destructure fluorine et apparentées à la structure fluorine: Dioxyde d’uraniumUO2,zirconecubiquestabiliséeZrO2,oxydesdeterresrares,etpyrochlores

Ce projet regroupe l’évolution sous irradiation de céramiques oxydes de structure fluorine etapparentées.Cegrouped’oxydecomprenddessolidesd’importance,telquelecombustiblenucléaireactuel (UO2), lesmatricesde transmutationdesactinidesetdestockage. Il secaractériseparsa trèsgrande stabilité structurale sous irradiation, avec notamment pour nombres d’oxydes leur absence

10

totale d’amorphisation. Cependant, la microstructure particulière du solide endommagé dépend denombreuxparamètresexpérimentaux(conditionsd’irradiationprécises,présenced’impuretés).Bienque les mécanismes élémentaires de production de défauts soient connus, le rôle respectif desdifférentsparamètresdanslaformationd’unemicrostructureparticulière,ladéstabilisationdusolideet la diffusion des impuretés incorporées reste à explorer expérimentalement. La simulationexpérimentale par accélérateur permet de répondre aux questions posées par le contrôle desparamètres d’intérêt (nature et énergie des projectiles, flux, fluence, concentration incorporée,température) et l’utilisation de solides modèles. L’idée majeure de ces études est donc de mieuxcomprendre les effets de l’irradiation sur des oxydes spécifiques, en cherchant dans la mesure dupossibleàgénéraliserleurcomportementpouruneclassedematériauxpluslarge.

OxydesdestructurefluorineLe dioxyde d’uranium est un solide étudié depuis les tous débuts de l’ère électronucléaire. Soncomportement sous irradiation reste cependant mal compris. En particulier, la formation d’unemicrostructureparticulièrediteHBS(HighBurnupStructure)estobservéeenpériphériedespastillesirradiéesenréacteur,caractériséeparunefortediminutiondelatailledesgrainscristallins(de10µmto 100 nm), un déficit en gaz de fission dans les grains, et une porosité accrue lorsque le taux decombustionaugmente.Cestransformationsmicrostructuralessontinitiéesparlaformationaccruede239Pu par capture des neutrons épithermiques. A contrario leurs mécanismes à l’échelle atomiquerestent une question non résolue. Les paramètres clefs de ces transformations comprennent: lesralentissementsélectroniquesetbalistiquesdesfragmentsdefission,lanaturechimiquedesproduitsde fission, la température sous irradiation. Des études systématiques ont été conduites depuisplusieursannéessurdesmonocristauxdedioxyded’uraniumetdezirconecubiquestabilisée:

(i) Les effets du ralentissement électroniques pur via les faisceaux du GANIL.L’endommagementseproduitparlaformationdezonesdematièreendommagéeslelongde la trajectoire rectiligne du projectile (traces), qui se recouvrent progressivementlorsquelafluenced’ionsaugmente.Lestadefinaldel’endommagementdesoxydesfluorineestalorslaformationdenanodomaines(tailletypiquedel’ordrede50nm)trèsfaiblementdésorientés (angle de l’ordre de 0.1-0.4°). Cette transformation microstructuralemonocristal vers polycristal – identique pour les deux oxydes de structure fluorineexaminés-reproduitl’unedescaractéristiquesdelastructurediteHBS;

(ii) Leseffetsdel’irradiationàbasseénergie(collisionsbalistiques)ainsiquelerôlejouéparla présence de produits de fission sont conduits sur la plateforme SCALP, lorsd’expériences réalisées in situ couplant l’implanteur d’ions IRMA (pour l’incorporationd’impuretés) et l’accélérateur ARAMIS (en caractérisation d’ions légers pour lacanalisation)ou lemicroscopeélectroniqueàtransmission.Desétudessontconduitesenincorporant soit des espèces solubles dans le dioxyde d’uranium (La et Ce), soit desespèces insolubles (Xe) conduisant à la formation de bulles à grande concentration. Ladéstabilisationdu solide, tant sous l’effetdesdéfautsd’irradiationquepar les impuretésincorporées,estmesuréesurunetrèslargegammedefluence(etdoncdeconcentration).Différentes étapes sont observées à température ambiante. L’incorporation d’espècessolubles montre une seule étape dans l’endommagement, à faible nombre de dpa (del’ordrede5),liéeàtransitionentrelaformationdedéfautsisolésetpetitsamasdedéfauts,produisant une contrainte mécanique dans le réseau cristallin, vers la formation dedislocations puis d’un réseau étendu de dislocations. A l’inverse l’incorporation d’uneespèce insoluble produit une seconde étape à très forte concentration d’impuretésincorporée (typiquement de l’ordre de plusieurs pourcents) du fait de la formation debullessurpressurisées(d’unetailledequelquesnm)conduisantàlafracturationdusolideirradié. La nature de l’espèce incorporée apparait décisive dans le comportement dusolide.Desexpériencessimilairesmaisconduitesà500°C(températureenpériphériedespastilles) sont en cours actuellement. Les premiers résultats montrent que la premièreétape de l’endommagement se produit à plus basse fluence lorsque la températures’accroit,soulignantquel’agglomérationdesdéfautsestfavorisé.

Ilestremarquablequepourl’ensembledesconditionsexpérimentalesétudiées, lecomportementdeUO2etdeZrO2stabiliséeestsystématiquementsimilaire.Si lesendommagementsdesdeuxdioxydes

11

diffèrent, la typologie des zones endommagées, les microstructures et les cinétiques sont toujoursproches. Ce comportement général permet de conjecturer que les dioxydes isomorphes nonaccessiblesexpérimentalementàcesétudes–notammentlesdioxydesd’actinides(NpO2,PuO2,AmO2,CmO2)–possèdentégalementlemêmecomportement.L’étudeducomportementdecertainsPFdansUO2estégalementfondamentaledupointdevuedelasûreté.Eneffet,lorsd’unaccidentdansuneinstallationnucléaire,lesradioélémentsissusdelafissiondu combustible peuvent être relâchés et atteindre l’environnement si la progression de la situationaccidentelle conduit àmettre endéfaut les barrières de confinement successives. L’évaluationde lasûretédel’installationetsaconduitependantl’accidentmaisaussilagestiondelasituationdecriseetpost-accidentelle impliquent d’être capable de prévoir l’évolution de la quantité, de la spéciationchimique et de l’inventaire isotopiquede l’ensembledes radioéléments susceptiblesd’être rejetés àl’environnement.Cetensembled’informationssurlesrejetsdepuisl’installationversl’environnementcaractérise le termesourceà l’environnement. Unebased’expériencesd’évaluationdurelâchementde ces espèces à haute température depuis des échantillons de combustible irradiés existe(principalement constituée d’essais réalisés au CEA (France - installations VERCORS/VERDON) etAECL (Canada)). Mais l’utilisation de modèles empiriques ne permet pas d’obtenir la finesse et lapertinence d’interprétation nécessaires à l’élaboration demodèles réellement prédictifs et capablesd’êtreappliquésàdessituationsnoncouvertesparl’ensembleexpérimentaldisponible.C’estdanscecontexte que l’IPNL, en collaboration avec l’IRSN, s’est orienté vers des études expérimentales àcaractère plus fondamental. Il bénéficiait de l’expérience et des méthodologies acquises lors de lathèsedeB.Marchandsur le comportementduxénondansUO2.Ainsi,dans le cadred’unepremièrethèsedébutéeen2014,l’IPNLétudielecomportementdumolybdène(Mo)quiesttrèsfortementliéàl’évolutiondupotentield’oxygènedanslamatricecombustible.L’undeseffetstrèsimportantdecetteévolutiondupotentield’oxygènedans lamatrice combustible,parfaitementmisenévidencepar lesmodélisationsdétaillées,est lavariationdelamobilitéduMo.Uneétudeexpérimentaleetthéoriquedesmécanismesd’incorporationetdediffusionduModans lamatriceUO2 stœchiométriqueet sur-stœchiométrique est actuellement en cours afin de comprendre finement les mécanismesd’incorporation et demigration deMo dans lamatrice UO2, en fonction de sa stœchiométrie et dedéterminerdescoefficientsdediffusionthermique(etathermiquedanslamesuredupossible)decePF.Cestravauxderecherchesepoursuiventdanslecadred’unesecondethèsecofinancéeparl’IN2P3et l’IRSN sur le comportement du césium (Cs) dans UO2. Que ce soit pourMo ou Cs, l’implantationioniquedemeure l’outildechoixpourmeneràbiencesétudes.L’étude théoriqueestmenéepar lescalculs de structure électronique qui permettent de caractériser les sites d’incorporation des ionsimplantés et de fournir des données de bases indispensables au développement de potentiels semiempiriques.Ceux-cisontnécessairesauxsimulationsendynamiquemoléculairequi,confrontéesauxdonnéesexpérimentales,conduisentàdéterminerlesmécanismesdemigration.

PyrochloresLes pyrochlores sont une famille isostructurale d’oxydes de composition A2B2O7 (A désignant uneterrerare,Bunmétaldetransition),quipeuventêtresoittrivalentsettétravalents,soitdivalentsetpentavalents.Lastructurecristallographiquedupyrochloreestunestructureapparentéeàlafluorineavec une mise en ordre des cations et la présence d’une lacune dans le sous-réseau oxygène. Lastabilité de cette structure est gouvernée par le rapport des tailles des cations RA/RB, qui restetoujourscomprisentre1.46et1.78.Dufaitdeleurextrêmestabilitésousirradiation,pourcertainescompositionstoutefois,cesoxydessontdesmatriceshôtespotentiellespourlesactinides.Acetitrecesontdesoxydesparticulièrementrichesd’unpointdevuechimiqueetstructuralpuisquelechoixdesdifférentscationspermetd’accéderexpérimentalementàl’importancedecertainsparamètrestelsqueleseffetsdel’ionicitéoudelavalencesurlatenueàl’irradiation.

(i) Dans ledomainede l’excitationélectronique,desétudessystématiquesontétéconduitessur lespyrochloresdecompositionGd2Ti2O7,Gd2Zr2O7,Nd2Zr2O7,Sm2Zr2O7,Eu2Zr2O7 lorsd’irradiationsconduitesauGANIL(desionsKràU).Latenuesousirradiationdiffèreselonles compositions. Alors que la composition Gd2Ti2O7 s’amorphise directement dans lestracescrééesparlesions,Gd2Zr2O7setransformeenunefluorinedéficitaireenoxygène(lasurstructure fluorinedisparaît), stable sous irradiationà l’instardesoxydesdestructurestrictementfluorine.Lesautrescompositionsprésententuncomportementpluscomplexepour lequel les transformations structurales pyrochlore → fluorine et pyrochlore →

12

amorphe coexistent. Ces comportements différentiés sont expliqués dans le cadre d’unmodèle phénoménologique (Heterogeneous Track Overlap Model), qui étend le modèled’impact direct utilisé classiquement en irradiation à grande énergie. Le modèle tientcomptedufaitquelamorphologiedelatraceprésenteunestructuremixte,composéedezones de structure fluorine (transition pyrochlore → fluorine) dans lesquelles sontdispersésdesamasamorphes(transitionpyrochlore→amorphe).L’amorphisationtotalenécessite le passage d’un second ion pour induire la transformation structurale fluorinedésordonnée→amorphe.Lastructuredelatracecrééeparl’ionetlesfractionsrelativesdes phases amorphes et fluorines sont fortement dépendantes de la composition dupyrochlore. En particulier la susceptibilité à l’amorphisation par excitation électroniques’accroit lorsque le rapportRA/RB augmente.Des simulationsnumériques ont égalementpermis de montrer que la tendance à l’amorphisation des titanates par rapport à leuréquivalentszirconatesestliéeàleurcaractèreioniquedavantageprononcé.

(ii) Dans le domaine des collisions balistiques le comportement des pyrochlores est plussimple(irradiationavecdesionsAu).Lestransformationsstructuralesdetypepyrochlore→ amorphe (Gd2Ti2O7) et pyrochlore→ fluorine (Gd2Zr2O7, Nd2Zr2O7) ont été mises enévidenceetpeuventêtremodéliséesparunmodèled’impactdirect.

Lecomportementdespyrochloressous irradiationprésenteunerichesseentermesdemorphologiedestracesengendréesparlesions,permiseparladiversitédescationspossibles.Entermedestabilitéstructurale, notamment en vue d’applications nucléaires, le résultat le plus frappant est laconfirmationdel’importanceducaractèreionique:l’amorphisationestunprocessusfortementliéàlacompétitionentrelesinteractionsdecourte(covalente)etlongue(ionique)portée.SesquioxydesdelanthanidesLessesquioxydesdelanthanides(Ln2O3,LncomprisentreLaetLu)possèdentunegrandediversitédepolymorphes selon les conditions thermodynamiques. A ce titre ce sont des systèmes modèlesd’intérêtpourlacompréhensiondestransformationsstructuralesdesoxydesirradiés.AtempératureambiantelaformeAhexagonaleeststablepourlesterresraresdegrandcation(La-Nd),tandisquelaformecubiqueC(structurebixbyite)existepourlespetitscations(Sm-Lu).UneformemonocliniqueBestégalementobservéeàhautetempératureaumilieudelasériedeslanthanidesetpeutêtretrempéeà température ambiante. Deux autre polymorphes, hexagonal (phase H) et cubique (phase X) ontégalementétéobservésàhautetempérature.Les travaux sur ces oxydes ont débuté très récemment: les effets de l’excitation électronique ontnotamment été récemment explorés auGANIL sur la ligneALIX (irradiation et diffractionX insitu)pour la série des oxydes de structure bixbyite. La formation de phase B et parfois de phase X estobservée.LafractiondelaphasedetypeBdécroitlorsquelenuméroatomiquedulanthanides’accroitetunetexturation,quiévolueen fonctionde la fluenced’irradiation,apparaît, identiquepourtouteslescompositions.

3.1. GenèseetcalendrierL’étude des effets de l’irradiation dans les oxydes d’intérêt nucléaire intéresse les laboratoires del’IN2P3 (CSNSM, IPNL) depuis le début du programme PACEN. Les différents sous-thèmes ont faitl’objet de multiples évaluations et présentations orales devant les programmes dédiées du CNRS(PRACTIS,NOMADE,MATINEX,NEEDS).Il faitégalementl’objetdenombreusesprésentationsoralesinvitées(13entre2013et2016).Lalistesuivante(nonexhaustive)donneunaperçudesproductionsscientifiquesrécentes.

A.Debelle,A.Boulle,F.Rakotovao,J.Moeyaert,C.Bachelet,F.Garrido,L.Thomé,J.PhysicsD,46,045309(2013)I. Jozwik-Biala, J. Jagielski, B. Arey, L. Kovarik, G. Sattonnay, A. Debelle, S. Mylonas, I. Monnet, L. Thomé ActaMaterialia61,4669(2013)T.H.Nguyen,ThèsedeDoctorat,UniversitéParis-Sud(2013)G. Sattonnay, N. Sellami, L. Thomé, C. Legros, C. Grygiel, I. Monnet, I. Jozwik-Biala, J. Jagielski, P. Simon ActaMaterialia61,6492(2013)Debelle, J.Channagiri,L.Thomé,B.Décamps,A.Boulle,S.Moll,F.Garrido,M.Behar, J.Jagielski, J.Appl.Phys115,183504(2014)A.Debelle,A.Boulle,A.Chartier,F.Gao,W.J.Weber,Phys.Rev.B.90,174112(2014)Meth.B326,228(2014)

13

T.H.Nguyen,F.Garrido,A.Debelle,S.Mylonas,L.Nowicki,L.Thomé,J.Bourçois, J.Moeyaert,NuclearInstrumentsandMethodsB326,264(2014)G.Sattonnay,R.Tétot,J.Phys.:Condens.Mat.26,055403(2014)G.Sattonnay,L.Thomé,N.Sellami,I.Monnet,C.Grygiel,C.Legros,R.Tétot,Nucl.Instrum.D.Bachiller-Perea,A.Debelle,L.Thomé,J.-P.Crocombette,J.Mater.Sci.51,1456(2016)N.Mejai,A.Debelle,L.Thomé,G.Sattonnay,D.Gosset,A.Boulle,R.Dargis,A.Clark,Appl.Phys.Lett.107,131903(2015)S.Moll,Y.Zhang,A.Debelle,L.Thomé,J.-P.Crocombette,Z.Zihua,J.Jagielski,W.J.Weber,ActaMater.88,314(2015)T.H. Nguyen, A. Debelle, A. Boulle, F. Garrido, L. Thomé, V. Demange, Journal of NuclearMaterials 467, 505-511(2015)D.Bachiller-Perea,ThèsedeDoctorat,UniversitéParis-Sud(2016)B.Marchand,ThèsedeDoctorat,UniversitédeLyon(2012)B.Marchand,N.Moncoffre,Y.Pipon,N.Bérerd,C.Garnier,L.Raimbault,P.Sainsot,T.Epicier,C.Delafoy,M.Fraczkiewicz,C.Gaillard,N.Toulhoat,A.Perrat-Mabilon,C.Peaucelle,JournalofNuclearMaterials,440(2013)562

3.2. Étatdel’artLe domaine des matrices céramiques pour le nucléaire fait l’objet d’une très forte concurrenceinternationale (Etats-Unis enpremier lieu,mais égalementChine et Inde).Nos laboratoires gardentune place de choix du fait des plateformes expérimentales dédiées à l’irradiation des solides,notamment à GANIL. Par ailleurs compte tenu de la taille restreinte de nos équipes nous sommesessentiellement dans une logique d’opportunité scientifique et de réponse à des demandesparticulières de partenaires, plutôt que d’explorer systématiquement l’ensemble de toutes lesconditionsd’irradiationpossiblespouruneclassedesolides.

3.3. RessourcesetmoyensRessources humaines: 4 physiciens/chimistes du CSNSM permanents (A. Debelle, F. Garrido, G.Sattonnay, L. Thomé) correspondant à 2 ETP; entre 1 et 2 étudiants en thèse. Soutien de l’équipeaccélérateurduCSNSM:3AIet2IRimpliquésàtempspartieldansleprojet.4 physico-chimistes permanents de l’IPNL (N. Bérerd, C. Gaillard, N. Moncoffre, Y. Pipon)correspondant à 1,5 ETP; entre 1 et 2 étudiants en thèse. Soutien de l’équipe Faisceau d’Ions del’IPNL:1AIet1IEimpliquésàtempspartieldansleprojet.Ressourcesfinancières:ceprojetestsupportéparlesprogrammesNEEDSmatériaux,DIMOxyMORE(financementd’unethèse)etlesoutiendebaseduCSNSM.Le coût actuel estde l’ordrede60KEurospar an (missions, conférences, financementd’une thèse),sachant que les temps de faisceaux octroyés auprès du JANNuS-Orsay/SCALP et GANIL ne sont pasfacturés.Projetfinancéparl’IRSN:environ35k€/anparthèsepourlapériode2014-2019,financementd’unethèseparl’IRSN(2014-2017:102k€)etfinancementd’unesecondethèse(2016-2019:102k€dont51k€IN2P3et51k€IRSN).

3.4. RéalisationstechniquesLes expériences de mesure de l’endommagement dans les cristaux irradiés sont réalisés via lestechniques principales suivantes: RBS en canalisation, microscopie électronique à transmission,diffraction X, spectroscopie Raman. Le système goniométrique pour la canalisation est en cours derénovationcomplète (financementvia lesTP innovantsduLabExP2IOet leMasterNuclearEnergy,coûtde l’ordrede35K€).L’acquisitiond’undiffractomètrepourdesexpériencesdediffractionXenligne sur la plateforme SCALP du CSNSM dans le domaine des collisions balistiques (à l’instar del’installation ALIX existante sur la ligne IRRSUD auprès du GANIL pour l’excitation électronique)permettraitdeseplacerenleaderauplaninternational(coûtestimédel’ordrede200K€).Les expériences d’irradiation sont menées sur l’accélérateur Tandem d’Orsay (une propositiond’expériences soumises et acceptéepar an) pour simuler l’effet des PF sur le comportement duModans UO2 grâce à un dispositif d’irradiation conçu et développé à l’IPNL. Ce dispositif permetd’irradier les matériaux jusqu’à des températures de 1100 °C représentatives de températuresaccidentelles.L’évolutiondesprofilsélémentairesestprincipalementsuivieparmicrosondeioniqueetles modifications structurales sont caractérisées par microscopie électronique en transmission etmicrospectrométrieRaman.

14

3.5. Auto-analyseSWOTForces: compétences scientifiqueset techniquesdeséquipes, accélérateurset implanteurs couvranttoutelagammeenénergiedesionsd’intérêt;Faiblesses: tailledeséquipestropfaible,caractèreuniqueet innovantdesmachinesaccélératricesàpréserver,voireremplacementpourl’IPNL;Opportunités: développement de techniques de caractérisation in situ sur les lignes de faisceaux,nécessairespourresterdanslacourseinternationale;Menaces:possibilitésderecrutementCNRSfaible(sections13et15)carprofilséloignésducentredegravitédecesdeuxsections.

4. PropriétésdetransportdesgazraresdanslesmatériauxnucléairesDanslesréacteursnucléaires,ilestessentieldebiencomprendrel'évolutiondespropriétésphysiqueetchimiqueducombustibleainsiquelecomportementdesproduitsdefissionsgazeuxtelsqueleKret le Xe (15% des PF). La compréhension doit être en condition normale de fonctionnement pouroptimiser lecombustible,maisaussiensituation incidentielleouaccidentelle.Cesgazpratiquementinsolublesdanslecombustiblevontdiffuseret/ouprécipitersousformedebulles.Legazayantdiffusépeut se relâcher à l'extérieur du combustible et participer à l'augmentation de pression, critèreimportant de sureté d'une centrale. La précipitation du gaz et l'apparition de bulles dans lecombustibleUO2modifientdenombreusespropriétésphysiquesetchimiquesdel'oxyded'uraniumetontunimpactthermomécaniquesurlescrayonsdecombustible.Cegenredeproblématiqueconcerneaussipluslargementdesrevêtements(SiC,W,Mo),desmatricesdedéchetsetdescombustibles(eg.UC)étudiéspourlesfutursréacteursditsGenIV.Ceprojetapourobjectifd’étudierlesdéfautsd’irradiationoud’équilibre,ainsiquelesmécanismesdediffusion/agglomération de ces défauts et des gaz rares principalement dans le dioxyde d’uranium.Actuellement, la démarche repose sur des études à effets séparés couplant implantation etcaractérisations fines sur différents appareillages (MET-Microscopie Electronique enTransmission,PAS-Positronannihilationspectroscopy,NRA-NuclearReactionAnalysis,TDS-ThermalDesorptionmassSpectrocopy). Des méthodes de modélisation à l’échelle atomique permettront d’identifier lesmécanismesafind’améliorer lacompréhensionducomportementsous irradiationdescombustibles.CesétudessefontencollaborationavecleLLCC/CEA-Cadarache(préparation,traitementdesurface,irradiation, caractérisation par MET, modélisation) et le CEMTHI-CNRS/Orléans (PAS, NRA). LesétudesdeTDSsefaisantauCENBG.Lesgazrares(XeetKr),depar leurcaractèreinsolubledansl’UO2,s’agrègentaisémentpourformerparlasuitedesbulles.LescinétiquesderelâchementmesuréesparTDSsontprobablementaffectéesparlafractiondegazpiégéelorsdel’implantationetdurecuit.Afindemettreenévidenceceteffet,leséchantillons d’UO2 sont implantés à des fluences variant de 1011 à 5.1014 at.cm-2 (avec ou sansendommagement préalable), des fluences supérieures étant connues pour conduire à piégermajoritairementlesgazdefissionsousformedebulles.LesrelâchementsenKretXesontanalysésparTDSen fonctionde la concentration implantée.DesétudesparPASsontaussimisesenœuvrepourcaractériser lesdéfautscréés lorsde l’implantationet leurévolutionentempératureenprésencedegaz.La plateforme PIAGARA du CENBG avec la ligne dédiée à l'étude des matériaux est en charge desexpériences de TDS. Elle est constituée de fours permettant de faire des recuits isothermes(T<1400°C) sous ultra vide connecté à des spectromètres demasse haute sensibilité. Les profils derelâchements obtenus sont caractéristiques du matériau et des défauts. Ils nous permettent dedéterminerlescoefficientsdediffusionsetlesénergiesd'activation.Les études actuelles sont néanmoins fortement bridéespar la limite en températuredu systèmedechauffage conventionnel et aussi gênéespar sanature (chauffage «lent» et imprécis, problèmesdemodifications de la stœchiométrie de UO2 par interaction avec le creuset notamment). Enconséquence, une nouvelle ligne de traitement thermique plus adaptée est en construction (projetL2PAON- Ligne Laser Pour l’Analyse Optimisée des matériaux Nucléaires). Elle est basée sur unchauffage laser permettant d’étendre fortement les possibilités d’analyse (température jusqu’à2000°C, montées en température quasi instantanée, etc.). Cette ligne, décrite ci-après devrait êtreopérationnelleau2etrimestre2017.

15

4.1. GenèseetcalendrierDepuisunedizained’années,legroupeestimpliquédansdesprogrammesinternationaux(ACTINET,F-BRIDGE)ounationaux(PACEN,NEEDS)pourétudierlespropriétésdetransportdesgazraresdansle combustible UO2, mais aussi dans d’autres matériaux d’intérêt du nucléaire (matrices deconfinementdedéchets,SiC,etc.).Nousoffronsainsiunmoyend’analysequasiuniqueetperformantdes gaz rares relâchés en température par les matériaux étudiés. Dans ce cadre, l’équipe RADENcollaboreparticulièrementavec leCEMTHIOrléanset leLaboratoiredesLoisdeComportementdesCombustibles (LLCC) du CEA Cadarache, notamment autour de la thèse deM. Gérardin débutée en2015. Le récent (automne 2015) renforcement du groupe par un CR2, accompagné de la Chaired’Installation obtenue ont permis le financement d’une évolution majeure de la ligne matériauxnucléaires (projet L2PAON décrit ci-après) qui permettra d’ajouter encore plus de dynamisme etd’excellenceàl’activitéGazRaresdanslesMatériauxNucléaire.Sontlistéesci-dessouslespublicationsnotablesduCENBGliéesàl’activitédiscutée.P. Garcia, E. Gilabert, G.Martin, G. Carlot, C. Sabathier, T. Sauvage et al., “Heliumbehaviour inUO2through lowfluenceionimplantationstudies”,Nucl.Instr.Meth.Phys.Res.B327(2014)113.Z.Talip,T.Wiss,E.A.Maugieri, J.-Y.Colle,P.-E.Raison,E.Gilabertetal., “Heliumbehaviour instoichiometricandhyper-stoichiometricUO2”,J.Eur.Ceram.Soc.34(2014)1265.F.Linez,E.Gilabert,A.Debelle,P.Desgardin,M.-F.Barthe,“Heliuminteractionwithvacancy-typedefectscreatedinsiliconcarbidesinglecrystal”,J.Nucl.Mater.436(2013)150.A.Ozgumus,E.Gilabert,N.Dacheux,C.Tamain,B.Lavielle,“Studyofradiogenicheliumdiffusionintheβ-thoriumphosphatediphosphateceramic”,J.Nucl.Mater.373(2008)112.A. Michel, “Etude du comportement des gaz de fission dans le dioxyde d’uranium : mécanismes de diffusion,nucléationetgrossissementdebulles”,ThèsedeDoctorat,UniversitédeCaenBasse-Normandie(2011)

4.2. Étatdel'artLa plateforme PIAGARA permet la mesure précise de quantités de gaz rares aussi basses que 107atomes, cequi en fait en soiunoutil quasiuniqueaumonde.Deplusnous sommes la seule équipespécialiséedans l’analysespectroscopiquedesgazraresàavoirdéveloppéuneactivité tournéeverslesmatériauxnucléaires.

4.3. Ressourcesetmoyens3physiciens/chimistesduCENBGpermanents(E.Gilabert,D.HorlaitetB.Lavielle)correspondantàuntotalde1,5ETP.1IRet1AI(CDDtermineen2017)fortementimpliquésdanslestravaux.Financementd’unenouvelleligned’analyse(projetL2PAON)majoritairementparunebourse«Chaired’Installation»de110k€accordéeparl’IDEXdeBordeauxaunouvelentrantCR(D.Horlait)pourlapériode 2016-2019 ainsi que par des financements réguliers du CEA (encours de 35k€). DesfinancementsparleprogrammeNEEDS-Matériauxsontaussirégulièrementobtenus(TRANS-COMB;CIrCombUra; ENDISIRC) pour quelques milliers d’euros annuels. L’activité dépend aussi desfinancementsdebaseoctroyésparl’IN2P3(del’ordrede4à5k€annuelspourcetteactivité).

4.4. RéalisationstechniquesLesmesuresparTDS(ThermalDesorptionSpectroscopy)auCENBGsontréaliséessurunepartiedelaplateformePIAGARAconstituéededeuxfours(Tmax850et1350°C),d’outilsdetraitementdesgazetdedeuxspectromètresdemasseàsecteurmagnétique,letoutsousultravide.Sur la période 2016-2018, une nouvelle ligne de traitement thermique développée spécifiquementpour les matériaux d’intérêt du nucléaire sera construite et mise en service (projet L2PAON,financementdécritplushaut).Cetteligneseraarticuléeautourd’unechambreoùpourrontêtreplacésplusieurséchantillons(ouvrantdonclapossibilitéd’étudierplusieurséchantillonsparjourcontreunseulactuellement).Lechauffagedel’échantillonseraréaliséparunlasercontinudepuissance≥300W dont le faisceau sera travaillé par un jeu de lentille pour chauffer de manière homogènel’échantillonet la températureserasuivieparpyrométrie.Cecipermettrad’accroitre lespossibilitésd’étudesentempérature(objectifT≥2000°CpourUO2,chauffagequasiinstantanéethomogène),maisaussi d’améliorer la précision en température (pyrométrie). Pour des questions pratiques etréglementaires, lacelluleéchantillonseraconnectéeàsapropreligneultravidedetraitementdegazpermettantleprélèvement,fractionnementettransfertdesgazémisainsiquelepiégeagedesespècesindésirables(O2,N2etc.).Laréalisationde la ligneL2PAONse feragrâceauxservices techniquesduCENBG (Etude thermiqueet conceptionde la chambrepar lebureaud'études;bâti et supportspar

16

l'atelier de mécanique; régulations, automatisations et asservissements par le serviced'instrumentation).

4.5. Auto-analyseSWOTForces:Équipespécialistedesgazraresdisposantdemoyensd’analysestrèsperformantsetadaptésàla thématique de recherche; équipe renforcée récemment; bons financements (récent);collaborationspérennessurplusieursannées(LLCC,CEMHTI).Faiblesse:Longuechaîned’expérimentations(préparations, irradiation, recuits,caractérisationspré-etpost irradiation).L’installationPIAGARAdemandebeaucoupd’entretienpourmaintenir laqualitédesmesuresparrapportà la taillede l’équipe«technique»(1IR+1CDDAIterminéenseptembre2017).Opportunité: Secteurporteur (nombredematériauxvouésàévoluerdans les réacteursGen II à IV)commemontréparlesnombreuxmatériauxcandidatsdéjàétudiés(SiC,UC,W,Mo).Outilsutilespourrépondreàdesdemandesd'analysedansetendehorsdunucléaire.Menaces:Machines vieillissantes (eg. spectromètres années 70-80), difficulté de réparation et doncobligationd'évolution(coût,temps).

5. Comportementsousirradiationdescarbures(SiCetB4C)CeprojetregroupelesétudesducomportementdeSiCetdeB4Cutilisésdanslesréacteursnucléairesde2èmegénération(REP)et/ouenvisagésdansceuxde4èmegénération(principalementRCGetRNR-Na,voireréacteuràfusion).LeprojetSiCconsisteàétudierleseffetsliésàl’irradiationauxionsgazraresauseindumatériauSiCd’intérêtpourlafissionetlafusionnucléaire.Lesconceptsderéacteursnucléairesdufutur(GenIVetFusion Magnétique) supposent un saut technologique en terme de matériaux afin d’atteindre desrendementssupérieurs.Cesderniersserontsoumisàdesconditionsd’irradiationetde températureaccruesparrapportauxréacteursnucléairesactuels.Ajoutonsquedepuisl’accidentdeFukushima,lescéramiquesréfractairestellesqueSiCsontégalementenvisagéespouraméliorerlasûretéauseindesréacteurs actuels (génération II et III) par exemple, sous formede gainepour le combustible oudedépôt sur les matériaux environnants. Outre la résistance à l’irradiation et aux très hautestempératures,larésistanceàl’oxydationetlacapacitéderétentiondeproduitsdefission,notammentgazeux et à haute fluence, sont autant de caractéristiques cruciales qui nécessitent d’accumuler desdonnéesexpérimentales.LadémarcheadoptéeàLyonpourétudierceseffetsreposesur l’utilisationd’accélérateurs de particules qui présentent l’avantage de permettre le contrôle des conditionsd’irradiation (fluence, nature de l’espèce irradiante, température d’irradiation, etc…) mais aussi lamise en œuvre de techniques d’analyses par faisceaux d’ions (RBS, ERDA, PIXE, NRA); méthodespuissantes au service du suivi des phénomènes générés par l’irradiation. Le couplage de cestechniques avec la microscopie électronique (MEB et MET) réalisée auprès du service commun del’UCBLCTµ(dirigéparS.Gavarinidepuis2011,membredugroupeACE),permetunecaractérisationchimique,structuraleetmicrostructuraledesmatériauxétudiés.Lesproductions scientifiquesattenduesen lienavec cette thématiquesontde1à2publications/andans des revues internationales avec comité de lecture, 1 à 2 participations/an à des congrèsinternationaux,et1thèsetousles3ansdepuis2007(dernièreendatedémarréeenoctobre2016).Le carbure de bore B4C est majoritairement utilisé comme absorbant neutronique dans l’industrienucléaire. Dans les REP français, il constitue actuellement l’un des deux absorbants placés dans lesbarres de commandes (l’autre absorbant étant l’alliage ternaire A.I.C.). Il est d’ailleurs considérécomme absorbant noir de par la très grande valeur de la section efficace du 10B aux neutronsthermiques(3850barns).DanslesréacteursPhénixetSuperphénixdetechnologieRNR-Na,lecarburedeboreétaitleseulabsorbantutilisé.Lesraisonsdecechoixrésidentendeuxpoints:(i)l’excellentestabilitéchimiquedecematériau–quecesoitencontactavecl’inox(matériaudelagaine)ouaveclesodium-, et (ii) la température de fusion élevée de cette céramique (2450°C) répondant ainsi à uncritère de sureté en cas d’accident du cœur. Le carbure de bore a été également choisi commeabsorbant du prototype ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for IndustrialDemonstration)quidoitdémontrerlaviabilitéindustrielledelafilièreRNR-Naentantqueréacteursnucléairesde4èmegénération.

17

Lecarburedeboreaétébeaucoupétudiédepuislesannées80jusqu’àlafindesannées90etl’arrêtdéfinitif de Superphénix. Les études portaient alors quasi-exclusivement sur le vieillissement ducarburedeboresousirradiationneutroniqueainsiquesurlecomportementdel’héliumforméparlaréaction nucléaire 10B(n,4He)7Li. Lamigration de cet élément est complexifiée par la propension del’hélium à former des bulles qui font gonfler le matériau, le fragilisent et finalement créent desfissurations réduisant fortement sa durée de vie. Depuis les années 2010 et la poussée de latechnologieRNR-Naentantquefilièreindustriellepossiblepourlefutur,larecherchesurlecarburede bore a repris. Cette recherche est motivée par des conditions d’irradiation qui seront pluspénalisantesdansASTRIDainsiqueparlavolontédecomprendrefondamentalementlesmécanismesde vieillissement sous irradiation de cette céramique. Pour l’instant, la relative bonne stabilité ducarbure de bore sous irradiation (comparé, par exemple, au carbure de silicium qui se déstructurerapidement) n’est pas comprise et pourtant nécessaire afin d’extrapoler la durée de vie de cescéramiquesdanslesfutursRNR-Na.Ilapparaitdésormaiscertainquelastructurecristallographiqueparticulièredu carburedebure (icosaèdres reliés entre euxpardes chaînes tri-atomiques) joueunrôleprimordial.L’enjeuduprojetconsistedoncàappréhenderlesmécanismesd’endommagementdecettestructuresousdesconditionscontrôléesd’irradiationetdetempérature.Encela,l’utilisationdesdifférents accélérateurs de particules de l’IN2P3 et des partenaires tels que le CEA se révèleprimordial. Il est en effet possible de paramétrer chaque expérience en terme de nature d’ionsincidents, d’énergie, de fluence d’irradiation. Les moyens d’analyse (MEB, MET, Raman) sontdisponibles et peuvent être utilisés, pour certains, en même temps que l’irradiation (in situ). Parexemple,laplateformedeJANNuS-Orsayaétéutiliséeavecsuccèsdansceprojetpoursuivre,parMETinsitu,l’évolutionmicrostructuralesousirradiationd’ionsOr(régimed’endommagementbalistique).Les différentes étapes d’endommagement ont ainsi pu être mises en évidence jusqu’au seuild’amorphisationduB4C.Des expériencesd’irradiationsdansd’autres configurations, notamment enrégime électronique, sont menées et doivent être poursuivies pour compléter les connaissancesacquisesjusqu’ici.

5.1. GenèseetcalendrierLeprojetsurSiCapourprédécesseurdeuxautresprojetsparentsquiportaientsurlenitruredetitane(1thèsesurlapériode2007-2010)etlecarburedetitane(1thèsesurlapériode2010-2013).Ellesontétésuiviesen2013parunethèsefocaliséeprincipalementsurlecomportementduxénondansSiCdans un contexte appliqué essentiellement à la fission nucléaire avec un volet portant sur lecomportement de l’hélium dans SiC qui sera poursuivi dans le cadre de la thèse qui démarre enoctobre2016etdans laquelled’autresaspectscommunsà la fissionetà la fusionseronttraités.LesmembresdugroupeACEimpliquésdanscettethématique«céramiquesnucléaires»ontdéveloppéaufil des années une certaine expertise du domaine, notamment sur le plan expérimental. En ce quiconcernelesétapesàfranchir,ilpourraitêtreintéressantdecréerdescollaborationsavecdeséquipesprésentant une compétence reconnue en termes de modélisation (Dynamique Moléculaire) afind’établirdescorrélationsentrerésultatsexpérimentauxetcalculsthéoriques.Le projet B4C a été proposé et financé dans le cadre du grand défi interdisciplinaire NEEDS (PFMatériaux)en2013souslaformed’unecollaborationtripartiteentrel’IPNL(IN2P3),leCEASaclayetle SPCTS à Limoges. Ce projet a été reconduit jusqu’en 2015 puis est devenu, en 2016, un projetstructurant de NEEDS-PF Matériaux en intégrant d’autres partenaires (Ecole Polytechniquenotamment). En parallèle de l’étude NEEDS, des travaux sont effectués en collaboration avec leCEA/DEN/DMN/SRMA dans le cadre d’une co-direction de thèse afin de contribuer à lacompréhensiondesmécanismesdediffusiond’HedansB4C(coefficientdediffusionpremiersstadesdegerminationdesamas).

J.Baillet,S.Gavarini,N.Millard-Pinard,V.Garnier,M.Gherrab,L.Dernoncourt,C.Peaucelle,X.Jaurand,S.Cardinal,A.Duranty,C.Bernard,R.RapegnoandT.DeEchave,acceptedforpublicationwithminorrevisiontotheJournalofEuropeanCeramicSociety(2016),Refn°JECS-D-16-00244S. Gavarini, N. Millard-Pinard, V. Garnier, M. Gherrab, J. Baillet, L. Dernoncourt, C. Peaucelle, X. Jaurand and T.Douillard,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchB356-357(2015)114–128M. Gherrab, V. Garnier, S. Gavarini, N. Millard-Pinard, S. Cardinal, Int. Journal of Refractory Metals and HardMaterials41(2013)590–596R. Bes, Y. Pipon, N. Millard-Pinard, S. Gavarini, M. Freyss, Physical Review B 87, 024104 (2013), DOI:10.1103/PhysRevB.87.024104

18

R.Bes,C.Gaillard,N.Millard-Pinard,S.Gavarini,P.Martin,S.Cardinal,C.Esnouf,A.Malchère,A.Perrat-Mabilon,J.Nucl.Mater.,434(2013)56–64R.Bes,S.Gavarini,N.Millard-Pinard,S.Cardinal,A.Perrat-Mabilon,C.Peaucelle,T.Douillard, JournalofNuclearMaterials427(2012)415-417ThèsedeM.Gherrab,UniversitédeLyon,2013G.Victor,Y.Pipon,N.Bérerd,N.Toulhoat,N.Moncoffre,N.Djourelov,S.Miro,J.Baillet,N.Pradeilles,O.Rapaud,A.Maître,D.Gosset,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB:Volume365,PartA,(2015),30D.Gosset,S.Miro,S.Doriot,G.Victor,V.MotteNuclearInstrumentsandMethodsinPhys.Res.B365(2015)300-304V.Motte,D.Gosset,S.Miro,S.Doriot,S.Surble,N.Moncoffre,EPJNuclearSci.Technol.1,(2015)16D.Gosset,S.Miro,S.Doriot,N.Moncoffre,JournalofNuclearMaterials476(2016)198

5.2. Étatdel’artDans le cas du SiC, une recherche bibliographique rapide sur les 5 dernières années permet de serendre compte de l’engouement autour de ce matériau pour des applications dans les réacteursnucléairesdufuturetsousdifférentesformes.L’utilisationdecematériauenréacteursousformedegaineparexempleadonnélieuàplusieursdépôtsdebrevetsparmilesquelsonpeutciterleconceptaméricainTriplex [1] et le concept français Sandwich [2]. Cematériau est également envisagépourservirdans lesréacteursdegénération IVde typeVHTR(VeryHighTemperatureReactor)puisqu’ilentredans la compositionducombustibleTRISO (pourTRistructural ISOtropic).Cedernier conceptrevêtunenjeuparticulierpuisqu’ildevrapermettre laco-générationd’hydrogène,sujetsuscitantungrandd’intérêtde lapart des américainsnotamment.Beaucoupd’études récentes à l’internationaleportent sur l’utilisation du matériau SiC dans les réacteurs à Fusion (face au plasma, couverturestritigènes, divertor), notamment en perspective du projet DEMO, qui fera suite au projet ITER.PrécisonsenfinquelematériauSiC,deparsespropriétésremarquables,estutilisédansdenombreuxdomaines impliquant des conditions extrêmes que ce soit pour l’aéronautique ou l’électronique depuissance.EncequiconcernelesRNR-Na,laFrances’estpositionnéeclairementcommeleaderdanslarechercheassociée. Au plan national, les absorbants sont un enjeu important pour le CEA qui fait partieintégrante du projet dans le cadre de NEEDS. Le carbure de bore est le matériau absorbant deréférence,dontl’étudeestl’objetd’unprojetditstructurantauseinduPFNEEDSMatériau.[1] H. Feinroth, B.R. Hao, Multi-Layered Ceramic Tube for Fuel Containment Barrier And Other Application InNuclearAndFossilPowerPlants,BrevetWO2006/076039,2006.[2]M. Zabiego, C. Sauder, C. Lorette, P. Guedeney, Tubemulticouche amélioré enmatériau composite àmatricecéramique,gainedecombustiblenucléaireenrésultantetprocédédefabricationassociés.Brevetdéposéauprèsdel’INPIle01/08/2011.

5.3. RessourcesetmoyensRessourceshumaines:IPNL/SiC:2permanents(S.Gavarini/N.Millard-Pinard)–2doctorantsIPNL(J.Baillet2013-2016etL.S.Escobar(2016-2019)correspondantà3ETPIPNL/B4C:4permanents(N.Toulhoat/N.Moncoffre/N.Bérerd/Y.Pipon)–1doctorantIPNL(G.Victor2013–2016),1doctorantenco-directionavecleCEA(V.Motte2014-2017)correspondantà2,5ETP3ingénieursàtempspartieldesservicesFaisceauxd’IonsetMécaniquesurceprojetRessourcesfinancières:Créditallouésdanslecadredel’appeld’offredelaFRFCM(Fusion)pourleprojetSiC:3k€.L’originedes fonds est le suivant: dotation sur projets du CNRS (subvention d'état notifiée à la FR-FCM endébut d'année) et d'autrepart de crédits EUROfusion2015 justifiés en2016 (WPEDU, paiement auCEAprévunormalementenseptembreprochain).

CréditsNEEDSallouésàl’IPNLsurleprojetB4C:2013 2014 2015 2016

13275€ 9000€ 10000€ 15000€

5.4. RéalisationstechniquesUnerefontedelachambred’implantationdel’implanteurioniqueIMIO400estencoursderéalisation.Cette nouvelle chambre permettra un meilleur contrôle du faisceau (intensité, position, balayage,etc…) et permettra également de réaliser des implantations à froid (mise en place d’un doigt froid,azote liquide) et à haute température (jusqu’à 1000°C, voire plus, contre 600°C actuellement

19

atteignable). D’autre part, la spectroscopie Raman est une technique majeure pour l’étude del’endommagementstructural.Ilestenvisagéd’acquérircetéquipementàl’IPNL.

5.5. Auto-analyseSWOTLesfaiblessessontliéesauvieillissementdel’accélérateur4MVdel’IPNL.LesmenacessontviennentenpartiedudevenirduprogrammeNEEDSduCNRSau-delàde2017.

6. Fondamentaux de l’interaction ion-matière: effets de synergie entrecontributionsbalistiquesetélectroniquesdudépôtd’énergiedesprojectiles

Le transfert d’énergie des particules chargées dans les solides se décompose entre collisionsbalistiques,dominantesàbassevitesse (typiquement lorsque l’énergie cinétiqueest inférieureà0.1MeV.uma-1),etleseffetsd’excitationélectroniques,dominantesàgrandevitesse(énergiesupérieureà1 MeV.uma-1). Les mécanismes primaires des interactions sont bien connus, et correspondent autransfert d’énergie du projectile aux atomes et aux électrons, respectivement, et conduisent à lacréationdedéfautscristallins,àdeschangementsdephases,voireàunrecuitdesdéfautsproduits.Acontrario,leseffetscombinantlesdeuxtypesderalentissementsonttotalementméconnus.Ilspeuventcependant conduire a priori à des effets additifs sur l’endommagement produit, ou au contraire,donner lieu à une compétition entre lesmécanismes de recombinaisondes défauts, susceptibles demodifierl’endommagementfinaldusolideconsidéré.Cesujetconnaîtunintérêtnouveaudepuispeu,du fait de nouvelles possibilités offertes par lamodélisation par simulation numérique de la perted’énergieélectronique,d’unepart,etlapossibilitéderéaliserexpérimentalementdesirradiationsendoublefaisceau,d’autrepart.Cesnouvellespossibilitésintéressentàlafoislesaspectsfondamentauxde l’interaction ion-matière, et potentiellement les applications relatives à la tenue sous irradiationdessolidesirradiés,dontlesmatériauxpourlenucléaire.Les premières études conduites sur plusieurs céramiques différentes d’intérêt nucléaire (zirconecubique ZrO2, oxyde de magnésium MgO, carbure de silicium SiC et le pyrochlore Gd2Ti2O7) ontcomparé les effets de l’endommagement lors d’une séquence d’irradiation séquentielle (i) avec desions de basse énergie (processus balistiques), puis (ii) la post irradiation avec des ions de grandeénergie (processus électroniques), avec le cas où les deux irradiations sont conduites de manièresimultanée(lesdeuxfaisceauxbombardentsimultanémentlesolide).PourcequiconcernelazirconeZrO2etlepyrochloreGd2Ti2O7,lesendommagementsontsimplementadditifs,l’endommagementfinaldu solide étant la somme des endommagements séparés de deux contributions électronique etbalistique.LescasdeMgOetdeSiCsontenrevanchespectaculaires: leralentissementélectroniqueconduit à un recuit très prononcé de l’endommagement provenant de la contribution balistique duralentissement. La découverte de cet effet dit de synergie, ouvre la voie vers de très nombreusesexpériences nécessaires pour traquer les conditions nécessaires à ce recuit sous irradiation. Lesexpérienceslesplusrécentes,conduitessurducarburedesilicium(matériaupourlequell’effetestleplusprononcé),montrentparspectroscopieRamanqueleseuleffetdescollisionsbalistiquesproduituneamorphisation totaledu solide.L’irradiation subséquenteavecdes ionsdegrandeénergien’estpasefficacepourconduireàunerecristallisation.Acontrario, l’irradiationendoublefaisceaumontrela suppression de l’amorphisation, la perte d’énergie électronique étant capable d’induire un recuitpartieldesdéfautsponctuelsetdesamasdedéfautsproduitsparlescollisionsbalistiques: larégionendommagéeducristalprésenteuniquementlaformationdedislocations.Cethèmederecherchenouveauestclairementtrèsprometteur.Detrèsnombreusesquestionsrestenten suspens, notamment quant aux mécanismes mêmes de ces effets synergétiques. Les premièresobservationsindiquentnotammentquel’effetdedoublefaisceausembled’autantplusprononcéquele solide considéré est peu sensible au ralentissement électronique pur. A terme la compréhensionapprofondie desmécanismes ouvre la voie vers la synthèse dematrices aux propriétés amélioréescapablederéduireintrinsèquementleseffetsdel’irradiation,via lecouplageentrelesdeuxtypesdeprocessusdedépôtd’énergie.

6.1. GenèseetcalendrierCeprojetest récent.Lespremiers travauxdatentde2013. Ils font l’objetdedemandesde tempsdefaisceaux dans le cadre d’appels à projets du réseau EMIR (temps de faisceau auprès de JANNuS

20

Saclay)etfontl’objetd’unecollaborationscientifiqueentrelegroupePCIduCSNSMetJANNuSSaclay(CEA/DEN/DMN/SRMP).Principalespublications:L. Thomé, A. Debelle, F. Garrido, P. Trocellier, Y. Serruys, G. Velisa, S. Miro, Applied Physics Letters 102, 141906(2013)L.Thomé,G.Velisa,A.Debelle,S.Miro,F.Garrido,P.Trocellier,Y.Serruys,NuclearInstruments&MethodsB326,219(2014)W.J.Weber,D.M.Duffy,L.Thomé,YZhang,CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience19,1(2015)L. Thomé, G. Velisa, S. Miro, A. Debelle, F. Garrido, G. Sattonnay, S. Mylonas, P. Trocellier, Y.Serruys, Journal ofAppliedPhysics117,105901(2015)

6.2. Étatdel’artIls’agitd’unsujetd’actualité,particulièrementbrûlant,pourlequellaconcurrenceestpotentiellementmondiale (Etats-Unis, Japon, Inde et Chine notamment). Cependant les moyens expérimentauxnationauxsontenpointe,bienquesituéshorsdupérimètredel’IN2P3(JANNuS-Saclay,faisantpartieduGISJANNuSavecleCSNSM).Latailledugroupetravaillantsurlesujetesttoutefoiscritique.

6.3. RessourcesetmoyensRessources humaines: 4 physiciens/chimistes du CSNSM permanents (A. Debelle, F. Garrido, G.Sattonnay,L.Thomé)correspondantà0.5ETPuniquement.Ressources financières: ceprojet intégralement supporté sur le soutiendebaseduCSNSM.Le coûtactuel estde l’ordrede10KEurosparan (missions, conférences), sachantque le tempsde faisceauoctroyé auprès du JANNuS Saclay n’est pas facturé au CSNSM (collaboration CSNSM-SRMP JANNuSSaclay).

6.4. Auto-analyseSWOTFaiblesses: taille des équipes trop restreintes (Orsay et Saclay); difficulté de financer cettethématiquetrèsfondamentale;Opportunités:l’effetfondamentalleplusnouveaudansledomainedel’interactionion-matièredepuisl’obtention de faisceaux d’agrégats accélérés au lieu des années quatre-vingt-dix: il fautimpérativement être présent scientifiquement, des publications à haut facteur d’impact étantnotammentattendues;Menaces: possibilités de recrutement CNRS faible (sections 15) car profils éloignés du centre degravitédecesdeuxsections.

7. Dosimétrieeteffetsdesrayonnementsionisantsàl’échellemoléculaireLesrecherchesdanscedomaineportentsurl’étudefondamentaledesmodificationschimiquesetdelafluorescence induites dans desmatériaux organiques et/ou d’intérêt biologique sous rayonnementsionisants.CesétudestrouventdesapplicationsdirectesdansledomainedeladosimétriemédicaleXetde la hadronthérapie (radiothérapie sous faisceaud’ions). L’interactiondes rayonnements ionisantsavec la matière à l’échelle moléculaire se heurte toujours à des verrous scientifiques sur lacompréhension des phénomènes liés au dépôt de dose, au transfert d’énergie et aux mécanismesphysico-chimiquesquivont induireunemodificationchimiqueet/ouunedésexcitationparémissionde fluorescence. Ces études fondamentales trouvent également des applications directes dans ledomainedelamicro-dosimétrie.

7.1. Genèseetcalendrier(i) Nos recherches fondamentales ont conduit au développement d’une dosimétrie X innovante.L’originalitédenotreapprochereposeenparticuliersurlapriseencomptedel’aspecttemporeldeladissipation de l’énergie déposée. La fluorescence radio-induite résulte de la superposition de deuxémissionsdontl’originephysico-chimiqueestdifférente.Lapremière,dite«prompte»,estanalogueàlafluorescenceinduitepardesphotonsUV.Laseconde,dite«différée»,estcaractéristiquedel’actiondes rayonnementscorpusculairesàhaut transfert linéiqued’énergie (électrons, ions).Cettesecondeémission est due aux états singulets résultant de l’interactionbimoléculaired’états triplets dans leszonesdefortdépôtd’énergie.Lesrecherchesfondamentalesmenéesdanslecadredetroisthèses(M.Munier,T.Sohier,M.Torres)ontconduitaudéveloppementd’unedosimétrieX innovantebaséesur

21

desmesures de fluorescence en coïncidence. Cette activité a conduit au dépôt d’un brevet français,étendu à l’Europe et au niveaumondial (Amérique du nord, Asie) [Jung J.M., Sohier T., Munier M.,Torres M., Barillon R. «Procédé de détermination de la dose d’irradiation déposée dans unscintillateurparunrayonnementionisantetdispositifassocié.».Brevetfrançais1000127870déposéen 2011, extension internationale en 2012 sous le numéro 1855804 / Numéro de demande PCT:PCT/EP2012/071085. Publication internationale et divulgation en avril 2013], suivie d’unprojet dematuration financépar laSattConectusAlsaceetde lacréationd’unestart-up(SociétéFibermetrix)aveclaquellel’IPHCasignéuneconventiondecollaboration. Cettetechniqueinnovanteaégalementmontrétoutsonpotentieldedosimétrieenhadronthérapielorsd’essaisauHIMAC(HeavyIonMedicalAccelerator in Chiba, Japan) du NIRS (National Institute of Radiological Sciences) enmontrant unemeilleure résolution en énergie que les chambres d’ionisation conventionnellement utilisées pourcalibrer les faisceaux d’ions destinés à l’irradiation des patients. De nombreux essais cliniques ontégalementeulieudanslesdomainesdelatomodensitométrieXetdelaradiothérapie(cancersducoldel’utérusetdelaprostate).Unsecondbrevetestencoursdedépôtauniveaufrançais. Afin de comprendre et d’exploiter toutes les potentialités de cette nouvelle technique nousprévoyonsuneétudesystématiquedescintillateursorganiquesexistants(oxazoles,oxadiazoles)avectous les types de rayonnements: rayons X médicaux, rayonnements alpha et protons, ions lourds,neutrons. Après cette première étape, une seconde étape permettra d’étudier la fluorescence decellules ou rendues scintillantes afin d’en déduire la dose totale déposée et de corréler celle-ci auxdégâtsmoléculairesinfligés,voireauxeffetslétauxàpluslongterme.

(ii) En parallèle, nous avons étudié de façon systématique, et les rendements de modificationschimiques dans des polymères modèles (polycarbonate PC, polyéthylène térephtalate PET,polycarbonated’allyldiglycolPADC),etlesrendementsdeproductiondesradicauxhydroxylescrééslors de la radiolyse de l’eau, en fonction du Z et de l’énergie de différents ions. Ces étudesfondamentalesontdesimplicationsdirectesdansledomainedelamicro-dosimétrie. L’étudesurlespolymèressefaitenétroitecollaborationavecl’UniversitédeKobeetleNIRSdeChiba.NousavonsaccumuléunebanquededonnéesuniquesurlessectionsefficacesderupturesdeliaisonschimiquespourdesionsallantdeHàXeavecdestransfertsd’énergielinéique(TEL)variantde10à12000KeV.µm-1.Cespolymèresmontrentdescomportements radicalementdifférentssousirradiationionique;décroissanceouaugmentationouinvariabilitédesrendementsdemodificationschimiquesenfonctionduTEL.Nousavonsétéenmesuredesimulercesdonnéesexpérimentalesavecdesmodèlesdudépôt radialdedosedéposéepar les électrons secondaires crééspar l’ion incident.L’étude sur le PADC, le détecteur solide de traces nucléaires le plus utilisé au monde, montrecependant l’insuffisanced’une telleapprochepourcertainspolymèreset lanécessitédecoupler cesmodèles avec l’effet de la radio-oxydation à partir de données expérimentales obtenues en faisantvarier lapressionenoxygène.Cettenouvelleapprocheestdéveloppéedans le cadred’une thèseencotutelleavec l’UniversitédeKobe (débutéeenmars2015).Nouspensonsainsimettreenévidencedes frontières, en terme de dépôt d’énergie, au delà des quelles les mécanismes de formation demodificationschimiquesdeviennentspécifiquesauxions. LetravailsurlesrendementsdeProductiondesradicauxHO°rentredanslecadred’unelargeétudemenée en collaboration avec le Laboratoire d’Etudes des Eléments Légers, et le LaboratoireInteractions, Dynamique et Laser de l’Institut Rayonnement-Matière de Saclay (CEA-CNRS) et leLaboratoire de Radio Toxicologie du CEA de Bruyères-le-Châtel. Ce projet, financé dans les appelsd’offresPlanCancer2012etFaidora2014,al’ambitiondelocaliseretquantifier,entempsréeldansdescellules,laformationdesradicauxHO°produitspardesrayonnementsd’intérêtenradiothérapieetenradioprotection(g,H+etα).Laconnaissancedeladistributionspatio-temporelledecesespècesradicalaires dans les cellules constitue la clé de la compréhension de l’efficacité des traitements deradiothérapieetdesproblèmesliésauxeffetsdesfaiblesdosesenradioprotection.Notretâchedansceprojetconsisteàétudierlacinétiqueetlesrendementsdeformationdesradicauxhydroxylesproduitspardesfaisceauxdeparticules(HetHe)defaiblesénergies.Encollaborationavecl’InstitutICubedeStrasbourg,nousavonsdéveloppéunsystèmed’extractionde faisceauHetHesur leuraccélérateurVan de Graaff 4 MV, associé à desmesures in situ de l’absorption UV-visible (en continu) et de lafluorescence (en continu et résolue en temps). Ces nouveaux développements associés aux ancienstravaux réalisés sur cette ligne vont nous permettent de disposer d’une plateforme unique pourétudier la cinétique de formation d’espèces radicalaires et leur réactivité vis à vis d’espèces

22

moléculaires en solution aqueuse, sur une échelle de temps allant de la nanoseconde à lamicroseconde.Detellesétudesconstituenttoujoursundéfitechnologiqueetscientifique.Enutilisantlatechniqueduscavenging(capturedesradicauxHO°parunesondechimiquedetypecoumarine)surcette plateforme, les rendements de production des radicaux HO° ont pu être déterminés, pour lapremièrefois,pourdesénergiesdeHetHede1à3MeVpourdestempsdecaptureallantdelansàlams.

(iii) Forts de notre expérience sur l’interaction des ions avec la matière organique à l’échellemoléculaire,nousdébutonsuneétudesystématiquesurlaradiolysed’acidesaminésetdeprotéinesensolutionaqueuseetsousformedefilmspourlesprotéines(thèsedébutéeen2015).Lesprotéinessontl’undesprincipauxconstituantsdelacellule,avecunpourcentagemassiquebienplusélevéquel’ADN.Ellessontdoncfortementimpactéesparlesrayonnementsionisantslorsd’uneradiothérapieoud’unecontamination par un agent radioactif. Or il n’existe à l’heure actuelle quasiment aucune donnéeexpérimentale sur les sections efficaces de modifications chimiques de ces biomolécules sousirradiationioniqueenfonctiondescaractéristiquesdufaisceaud’ions(masse,énergie).Nousvoulonségalementétudierlerôledel’eauetdel’oxygènesurlessectionsefficacesdemodificationschimiquesdecesbiomolécules. Notre choix est aussimaintenant d’allier systématiquement l’expérience à la simulation desphénomènes. Pour la partie simulation nous avons débuté une collaboration étroite avec le groupeRAMSESdel’IPHCetleCENBG(S.Incerti)spécialisésdansledéveloppementdecodeMonteCarlotypeGéant 4. La confrontation de la simulation aux données expérimentales précises obtenues sur despetitesmoléculescommelesacidesaminéspermettrad’améliorerlescodesdecalculpourprédirelesmodificationsàl’échellemoléculaire. Toutes nos études sur les polymèresmodèles et les biomolécules se retrouvent dans notreprojet«MatériauxBiologiquesStructuréssousFaisceaualpha-proton.Effetsprimairesetdosimétrietemps réel» retenu dans le cadre du Plan Cancer (octobre 2016 à septembre 2018), toujours encollaborationavecuneéquipeduCEA–Saclay.L’ensembledenosactivitésliéesàl’hadronthérapiesefait maintenant dans le cadre d’une collaboration renforcée avec le NIRS de Chiba. Notre projetRadiation damagemechanism atmolecular level approachedwith physicochemical technologiesa étélauréat (juin2015)de l’appeld’offreNewInternationalOpenLaboratory(IOL)*pilotépar leNIRSencollaborationégalementavecl’UniversitédeKobeetungroupeduJapanAtomicEnergyAgency.NousauronsainsirégulièrementaccèsauHeavyIonMedicalAccelerator inChiba(HIMAC)quitraiteprèsde1000patientsparanparhadronthérapie.*«The new IOL is intended to support free-minded research activity through active interactions withresearchers abroad, and to develop seeds for high-level studies on innovative ideas in radiologicalsciences(http://www.nirs.go.jp/ENG/international/iol/index.html)».

Mori,Y.,Yamauchi,T.,Kanasaki,M.,Hattori,A.,Matai,Y.,Matsukawa,K.,Oda,K.,Kodaira,S.,Kitamura,H.,Konishi,T.,Yasuda,N.,Tojo,S.,Honda,Y.&Barillon,R.(2012),AppliedPhysicsExpress5,8086401RaffyQ.,BuissonD.-A.,CintratJ.-C.,RousseauB.,PinS.,andRenaultJ.P.,AngewandteChemie,124,3014–3017,2012Sohier,T.,Munier,M.,Torres,M.,Sayeh,A.,Jung,J.,Choquet,P.&Barillon,R.(2012),Proceedingsofthe25thAnnualCongressof theEuropean-Association-of-Nuclear-Medicine (EANM),Milan (Italie),27-31octobre2012.EuropeanJournalofNuclearMedicineandMolecularImaging39:S505-S506Yamauchi,T.,Mori,Y.,Morimoto,A.,Kanasaki,M.,Oda,K.,Kodaira,S.,Konishi,T.,Yasuda,N.,Tojo,S.,Honda,Y.&Barillon,R.(2012),JapaneseJournalofAppliedPhysics51,5056301Barillon,R.,Mori,Y.,Kanasaki,M.,Yamauchi,T.&Yasuda,N.(2013),RadiationMeasurements50,38-42Mori, Y., Yamauchi, T., Kanasaki,M.,Hattori, A., Oda, K., Kodaira, S., Konishi, T., Yasuda,N., Tojo, S., Honda, Y.&Barillon,R.(2013),RadiationMeasurements50,97-102Yamauchi,T.,Matsukawa,K.,Mori,Y.,Kanasaki,M.,Hattori,A.,Matai,Y.,Kusumoto,T.,Tao,A.,Oda,K.,Kodaira,S.,Konishi,T.,Kitamura,H.,Yasuda,N.&Barillon,R.(2013),AppliedPhysicsExpress6,046401Yamauchi, T., Kaifu, S., Mori, Y., Kanasaki, M., Oda, K., Kodaira, S., Konishi, T., Yasuda, N. & Barillon, R. (2013),RadiationMeasurements50,16-21MunierM.,T.Sohier,N.Muller,J.-M.Jung,F.Carbillet,S.Perlongo,P.Meyer,G.Noel,PhysicaMedica30(2014)129BarillonR.,YamauchiT.,MoriY.,RaffyQ.,(2015).RadiationMeasurements83,1-4.KusumotoT.,MoriY.,KanasakiM.,UenoT.,KamedaY.,OdaK.,KodairaS.,KitamuraH.,BarillonR.,YamauchiT.,RadiationMeasurements83,59-62KusumotoT.,Mori Y., KanasakiM., IkenagaR., OdaK., Kodaira S., KitamuraH., BarillonR., Yamauchi T. (2016).RadiationMeasurements87,35-42BrevetJung J.M.,SohierT.,MunierM.,TorresM.,BarillonR.«Procédédedéterminationde ladosed’irradiationdéposée

23

dansunscintillateurparunrayonnementionisantetdispositifassocié.».Cebrevetaétédéposéauniveaufrançais(INPI) le 24 octobre 2011 sous le numéro de soumission 1000127870 (Dossier de valorisation CNRS BFF11P0786/SLE).Extensioninternationale(Europe,USA/Canada,Asie)effectuéeàLaHayele24octobre2012souslenuméro1855804/NumérodedemandePCT:PCT/EP2012/071085.Publication internationaleetdivulgationenavril2013.ConférenceinvitéeBarillon R. (2014). Chemical structure of heavy ion tracks in polymers. 26th international conference on NuclearTracksinSolids,Kobe,Japan,September15-19,2014

7.2. RessourcesetmoyensRessourceshumainesIN2P3-GroupeRadiochimieIPHC:3enseignants-chercheursR.Barillon(Pr),J.M.Jung(Pr),Q.Raffy(MC),2IR(C.Galindo,P.Peaupardin),1AI(C.Hoffmann),2doctorants(N.Ludwig-Boursedoctoraledébutéeen2015;T.Kusumoto-Co-tutelleavecUniversitédeKobe,débutéeen2015).6,3ETPjusqu’en2018.-GroupeRAMSESIPHC(modélisationGéant4):1enseignant-chercheur(N.Arbor)et1chercheur(Z.ElBitar).0,3ETP-CollaborationavecleCENBG(modélisationGéant4DNA)avec1chercheur(S.Incerti)

Ressourcesfinancièresencours-Plancanceroctobre2016-septembre2018:114k€-NewInternationalOpenLaboratory(IOL)2015-2018,ProgrammeduNIRSdeChiba.AccèsauHeavyIonMedicalAcceleratoretpriseenchargedesfraisdemissions(pour2à4personnes,2foisparan)

Financementsobtenusdanslesannéesprécédentes-SATTConectusAlsace,valorisationd’unbrevet(2013-2014):210k€-PlanCancer(2012-2014):80k€-Faidora(2015):5k€

Collaborations-CEA(SaclayetBruyèreleChâtel)-Fibermetrix(startupsurladosimétrie)-UniversitédeKobe,JP.-NIRS(NationalInstituteofRadiologicalSciences),Chiba,JP.-CENBG

7.3. RéalisationstechniquesNousavonsdéveloppéuneligned’irradiationpropresurunaccélérateurVandeGraaff4MV(ICUBE,Strasbourg) avec une sortie air pour irradier des liquides. Nous disposons de faisceaux H et Hecontinus(avecbalayage)oupulsésns.Laligneestdotéedetechniquesspectroscopiquespourlesuividesmatériaux en ligne (spectroscopie infrarouge, UV-Visible, fluorescence, fluorescence résolue entemps).UndéveloppementsimilaireestprévusurlecyclotronCyrcé(H,24MeV).

8. RendementsradiolytiquesetspéciationenradiochimieL’ensembledesprojets apourbutd’améliorer la compréhensiondesmécanismes réactionnels sousirradiationsoitensolution,classiquementappelée«radiolyse»,soitàl’interfacesolide/solution.Lesprojetsprésentés ici sedéclinentdoncaveccedénominateurcommunassociéàdifférents systèmesd’études et/ou de méthodologie. Ce projet a comme principal objectif la détermination desrendements d’espèces radiolytiques impliquées dans la spéciation de radionucléides sousrayonnement. Pour répondre à cet objectif, une collaboration entre SUBATECH et le cyclotronARRONAX (Saint-Herblain, France) installé depuis 2008, a permis l’accès à des faisceaux alpha etprotondehauteénergie.Ilafalludévelopperunedosimétriespécifiquepourcetypedefaisceauafinde mesurer les rendements des espèces issues de la radiolyse de différentes solutions afind’appréhender leur impact sur la spéciation de radionucléides d’intérêt et\ou sur les réactions àl’interfaceentrelasolutionirradiéeetlesolided’intérêt.Ceprojetpeutdoncsediviseren5parties:(1) La dosimétrie pour particule alpha de haute énergie, (2) Le rôle du dihydrogène en tant queproduitradiolytique, (3)Lecomportementdes ionscarbonatessousrayonnement, (4)Laspéciationdes radioéléments sous irradiation, (5) La corrosion radiolytique. Ces projets possèdent différents

24

domainesd’applicationenlienaveclenucléaire:lecycleducombustibleàdifférentesétapes(réacteur(2,5),retraitement(3,4),stockage(2,3,5)maisaussilamédecinenucléaire(1,3).(1)DosimétriealphahauteénergieAvanttouteétudederadiolysealphahauteénergie, lesétudesdosimétriquesautourdesactivitésducyclotron ARRONAX se sont révélées indispensables. Le développement du nucléaire et de sesapplicationsdans lesdomainesducycleducombustibleainsiqu’enmédecinenucléairenécessiteenpréalable de mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la radiolyse en milieux aqueux.L’utilisationconjointeducyclotronduCEMHTId’OrléansainsiqueducyclotronARRONAXdeNantesoffreuneoccasionuniqued’étudier lesmécanismesfondamentauxde laradiolysealphade l’eausurunelargegammed’énergie(de6.7à62.1MeV).L’étudedesmécanismesfondamentauxdelaradiolysealphanécessiteaupréalabled’évaluerprécisémentladosedéposéeparlerayonnementdanslemilieudepropagation.LadosimétrieditedeFrickeest le système leplusutilisédepart sasimplicitéet safiabilité. Cependant, il n’existe pas de valeur de rendement radiolytique du Fe3+ (G(Fe3+)) pour desénergies de faisceau alpha supérieures à 40 MeV. Afin de quantifier la dose déposée dans noséchantillons par le faisceau alpha fourni par le cyclotron ARRONAX (E=67MeV), cette étude a étémenée d’abord pour des énergies connues (<45 MeV) au cyclotron CEMHTI d’Orléans. Cetteméthodologie a permis de développer une expérience de mesure in situ par spectrophotométried’absorptionUV-Vis.Danscetteétudenousavonscomparé lesrendementsradiolytiquesduFe3+surunelargegammed’énergie(6.7–62.1MeV)pourdesexpériencesexsituetinsitu.(2)ImpactdeH2entantqueproduitradiolytique (2.1)H2produitdelaradiolysedel’eauAvant de pouvoir déterminer le rôle de l’hydrogène radiolytique dans les différents mécanismes àl’interface solide\solution il fautmaîtriser sa production par radiolyse de l’eau. Ainsi, une thèse dedoctorataétéproposéedontlesujetestladéterminationdurendementradiolytiqued’H2dansl’eau.La radiolyse de l’eau se décompose en 4 étapes successives en fonction du temps (primaire, pré-diffusionnelle, diffusionnelle et homogène) et, ainsi, différentes espèces radiolytiques sont formées.Ces espèces sont « quantifiées » par leur rendement radiolytique qui est le nombre de moléculesforméesoudisparuespouruneénergiedéposéede100eV(molecules/100eV=1.03610-7mol.J-1).Undesproduitsdelaradiolysedel’eaunousintéresseplusprécisément,ils’agitdudihydrogènegazeux.Eneffet,denombreusesétudesontétémenéessurlamesuredurendementradiolytiqueprimairedel’hydrogèneGH2lorsd’irradiationsousfaisceaualphapourlesquellesleTransfertd’EnergieLinéique(TEL)estpeuélevée.LavaleurdeGH2=0.4310-7mol.J-1estacceptéeparl’ensembledelacommunauté.Les études à haut TEL (rayonnement alpha, ions lourds) qui ont été menées sur la production del’hydrogène, et plus particulièrement sur le rendement primaire GH2, n’ont pas abouti aux mêmesconclusions puisque de nombreuses valeurs dispersées sont données dans la littérature. Le but decettethèseestdoncd’apporterdesélémentsderéponsesurl’évolutiondurendementprimaireGH2enfonction du TEL des particules incidentes. Ce travail consiste à suivre l’évolution du rendementradiolytiquedel’hydrogènemoléculaire,quiestimpliquédansplusieursétudesetenparticulierdanscelles liées au cycle du combustible nucléaire, en fonctionduTELdes particules ionisantes (rayonsgamma,protonsethélions).Dansunpremier temps,desétudesontpermisdesuivre lesévolutionsdes rendements radiolytiques apparents G(H2) et primaires g(H2) pour une gamme de TEL intégrévariantde0,2à150keVµm-1.Lesrésultatsmontrentquel’utilisationd’uncapteurchimiquedevientinefficacelorsqueleTELdevienttropimportant(>120keVµm-1).Dansunsecondtemps,unecellulepermettant d’avoir un dépôt d’énergie homogène dans les échantillons a été mise au point. Lesexpériences,menéesàTELconstant,ontpermisd’obtenirdesrésultatsdirectementcomparablesavecceuxd'uncodedesimulationsMonteCarloencollaborationavecl’UniversitédeCergy-Pontoise.OnaainsipudéterminéquelepicdeBraggreprésentaitenviron40%danslaproductiondedihydrogèneradiolytique dans le cas d’un faisceau d’He2+ de 68 MeV. Ainsi, la compréhension des mécanismesradiolytiquesresponsablesde la formationde l’hydrogènemoléculaireaétépermisepar l’ensembledecetravail.

(2.2)àl’interfacesolide/solutionEn complément de l’étude ci-dessus, une étude a été conduite de la production du dihydrogène àl’interfacesolide\solutionparlaradiolysedel’eauvial’irradiationalphaetgamma.Cetravailapourobjet lavalorisationdedéchetsnucléairesémetteursdesrayonnementsalphapour laproductionde

25

l’hydrogènecommesourcedel’énergie.CetravailaétéfinancéparLarégionpaysdelaLoiredanslecadre de projet PERLE (Pôle Emergent pour La Recherche Ligérienne en Energie). Nous proposonsdoncunsuivide l’évolutionà l’échellemacroscopiqueetmicroscopiquede l’eausorbéeà l’interfaceoxyde-eau ainsi que des mécanismes radiolytiques associés. Cette démarche duale permet deprogresserdanslacompréhensiondesmécanismesréactionnels,autraversdel’influencedesespècesproduites lors de la radiolyse de l’eau à la surface du solide afin de proposer et d’acquérir lesconnaissances fondamentales des phénomènes mis en jeu lors de la formation du dihydrogènemoléculaireparlaradiolysealphaetgammadel’eau.Lesirradiationsontétéfourniesd’unepartparunesourcede60CopourlefaisceaugammaauLCPd’Orsayetd’autreparlefaisceaualpha(E=6.7MeV)délivrépar lecyclotronduCEMHTId’Orléans. Il est clairque laprésenced’une interfaceoxyde/eau(TiO2/eau) augmente considérablement la valeur du rendement radiolytique en dihydrogène. Desmécanismes réactionnels à l’interface solide/solution prenant en compte cette variation desrendements radiolytiques d’H2 ont été proposés. L’ensemble de ce travail sur le dihydrogèneradiolytiqueva servirdebasepourunprojetde rechercheàvenir,déposéà l’ANRencollaborationavec le CEA/DEN/DRCP, concernant la production radiolytique de dihydrogène à l’interface oxyded’actinide/eau.(3)RadiolysedesCarbonatesEn milieu naturel les ions carbonates jouent un rôle prépondérant dans la chimie du milieu, c’estpourquoi il a semblé important d’étudier l’impact de la radiolyse de cette espèce en solution et lesprobablesconséquencessur lachimiedesactinidesenprésence.UnethèsededoctorataétémenéeafinderépondreàcettequestiondelaradiolysedescarbonatesetsoninfluencesurlachimieduTc.Dans ce cas-ci, la radiolyse directe et indirecte des ions carbonates présents à haute concentrationdans le milieu a été étudiée par la radiolyse picoseconde sur l’accélérateur ELYSE durant unecollaboration initiée de longue date avec le LCP. Cette étude a permis de mieux cerner le rôle duradicalcarbonatedansleséquilibresredoxliésàlaspéciationduTcetarévéléladégradationdesionscarbonatessousfaisceaud’électron.UnnouveauchampderechercheadoncétéouvertaulaboratoireSUBATECH concernant la radiolyse du milieu carbonate, celui-ci étant massivement présent dansl’environnement et dans les matériaux d’intérêt du cycle électronucléaire tels que les phasescimentairesEncomplémentdece travailde thèsededoctorat,un travaildeplusieursannéesaété initiéafindedévelopper un outil analytique capable de mesurer de façon quantitative les espèces issues de laradiolyse des carbonates telles que les ions oxalates, formiates et acétates pour étudier lesmécanismesréactionnelspeuétudiésdanslalittérature.Unepotentielleapplicationdel’ensembledece travail est le départ d’une proposition pour un projet Européen proposant l’étude des phasescimentaires sous rayonnement dont SUBATECH est WPLeader. En effet, la carbonatation de laportlanditeCa(OH)2encalciteCaCO3estunphénomènenaturel inhérentauxconditionsdestockagedes colis de déchets composés de phases cimentaires. Le comportement de la calcite sousrayonnement est mal connu, et il est donc à l’heure actuelle difficile de prédire l’évolution despropriétéschimiquesducimentsousrayonnementlorsquecelui-ciasubiunecarbonatation.(4)SpéciationdesradioélémentssousirradiationAprès l’étude d’espèces radiolytiques telles que H2 ou CO32- pouvant influer sur la spéciation, leprogrammedecesrecherchesestcentrésurla«Spéciationde(radio)élémentsàlasurfacedusolideet/ouensolutionsousirradiation».Poursefaire,ils’agitd’étudierlesdifférentsétatsd’oxydationsderadioéléments (comme l’uranium, le technétium) ou d’éléments métalliques (comme le fer, lemanganèseoulerhéniumentantquesimulantduTc)sousl’effetdesphénomènesderadiolyse.

(4.1)ensolutionaqueuseCesprojetssontpoursuivisparledéveloppementdelaspéciationde(radio)élémentssousirradiationpar2thèsesdedoctoratdontlesujetestlaspéciationduMn,ReetTcsousirradiationdansuncasenmilieu carbonate et dans l’autre en milieu HTFMS. Ce travail a répondu aux attentes scientifiquesinitialesetarévélédenombreuxchampsderechercheencohérenceavecnosactivités:LaspéciationduTcsous irradiationenmilieucarbonateconcentréamontré l’existenced’uncomplexedeTc(IV)-Carbonatedestructuremonomérique.Alorsquel’étudefondamentalesurlaspéciationdutechnétiumen milieu fortement acide a montré que le Tc(VII) en milieu HTFMS en absence et en présenced’irradiationalphaaétéréduitdelamêmefaçon.Deplus,cestravauxontpermisdedévelopperune

26

large collaboration entre SUBATECH, l’IPNO pour les calculs de chimie quantique, le synchrotronSOLEILpourl’identificationducomplexeparEXAFSetl’UniversitéduNevada-Las-Vegas(UNLV,USA)pour laspéciationduTc.Enfin, l’effetde laradiolysesur lesprocessusredoxduTcaétéétudiéetamontré son impact sur le comportement du Tc sous irradiation (solubilité, migration dansl’environnement…). Ce travail est donc appelé à êtrepoursuivi pourd’autres radioéléments. Il est ànoter qu’en préliminaire des travaux sur le Tc, la spéciation duMn dans lemilieu carbonate a étéétudié.Cetravailamontrél’importancedesrayonnementssurlaformationdecolloïdesdeMn(IV)lorsdes réactions d’oxydation et de réduction sous irradiation. L’ensemble de ce travail a permis devaloriser la spectroscopie UV-Vis in situ (sous irradiation) initiée et développée au laboratoireSUBATECH.EnprolongementdeceprojetlacollaborationavecUNLVdevenuepérennevapermettredecontinueràétudierlaspéciationduTcsousrayonnementdansdifférentsmilieux.

(4.2)ensolutionorganiqueIl est à noter qu’au travers d’expériences menées au sein du cyclotron ARRONAX est née unecollaboration étroite avec le CEA/DEN/DRCP depuis plusieurs années avec une double étude autraversdetravauxdethèsesdedoctoratsurl’impactdelaradiolysealphainduiteparlePudanslessolutionsorganiquesutiliséesdansleprocédéderetraitementPUREX.Ainsilesrésultatsdesétudesdelaradiolysedel’acidenitriqueetdesoximesontétévalorisés.Cettecollaborationsertdesoclepourunfuturprojetportantsurlaproductiondel’hydrogèneàlasurfacedesoxydesd’actinidesdéjàévoquéàlapartie(2.2).

(4.3)àl’interfacesolide\solutionDepuisquelquesannéessedéveloppentau laboratoireSUBATECHunenouvelle thématique liéeà laradiolyse en phase avec l’arrivée d’un nouveau cyclotron. Ce projet est porté par un intérêt auxmécanismesréactionnelsàl’interfacesolide/solutioncoupléàl’étudedel’effetdel’irradiationalphaetl’impactdelaradiolyseinduitesurcesmécanismes.LesdeuxpremièresannéesontétéconsacréesàlamiseenplaceexpérimentalesurlalignedefaisceauHe2+ducyclotronARRONAX.Ceprojetseproposeainsi d’étudier par spectroscopie de diffusion Raman in situ les mécanismes à l’interfacesolide/solution sous irradiation alpha. Ce système expérimental va permettre ainsi la spéciationd’élémentchimiqued’intérêttelquel’uraniumàl’interfacesolide/solutionsousirradiation.L'étudedelacorrosionradiolytiqued’UO2à l’interfacesolide/solutionanécessitéune importanteaméliorationdusystèmeRamaninsituafindepouvoirdétecter lesphasessecondairesdecorrosionde l’UO2.LespremiersrésultatsobtenusontpermisdedétecterlaformationdestudtiteàlasurfacedusolidemaisaussidepréciserlerôleinhibiteurduH2produitparradiolysedel’eau,durôleoxydantdeH2O2etdela localisation de la corrosion aux joints de grain de UO2. Dans le cadre de ce projet, l’étude a étéfinancéed’unepartparl’ANR(JCJCCISSRADALPHA)dontSUBATECHaétéporteurpuisparunprojetEuropéen (EURATOM 7ème PCRD, FIRST-NUCLIDES, http://www.firstnuclides.eu). De plus, il est ànoterque lesrésultatsdeceprojetontété largementdiffusésquecesoitdans lacommunautéde laradiochimie (MIGRATION’13), dans celle de la radiolyse (GORDON CONFERENCE) ou celle desmatériaux(E-MRS).Enfin,lesrésultatsontétéjugéssuffisammentintéressantspourêtreprésentésaucours d’une conférence internationale invitée organisée par l’Université de Manchester (MILLER2015). En perspective de ce travail une thèse de doctorat a été financée afin d’étudier lecomportementsousrayonnementdesoxydesdeNp.(5)Corrosionradiolytique (5.1)ProduitsdecorrosionduFerLaspectroscopieRamaninsitudéveloppéeinitialementpourUO2aaussiétéutiliséedanslecadredel’étudede lacorrosionradiolytique, i.e sousrayonnement,de l’acier faiblementalliéP235GH,utiliséactuellement dans le cycle électronucléaire. Les résultats obtenus l’ont été sur les produits decorrosion du Fer. Cette étude préliminaire a été menée sur l’interface Eau/Fer permettant dedéterminerlerôled’espècesradiolytiquestellesqueH2etH2O2surlacorrosionduferetimpliquantlaformationd’unephaselepidocrocite.

(5.2)TisousirradiationEnfin, unprojet structuré autourde l’ANRMatériaux et Procédés (ProjetTESAMI, 2013-2017)dontSUBATECHestleporteurnouspermetd’étudierlacorrosionduTitanesousirradiation.Ceprojetestdanslacontinuitédeceluiinitiéquelacorrosionradiolytiquedesaciersdéveloppédanslapremièrepériode. Il se propose d’étudier le comportement du Ti en phase pure mais aussi d’un alliage

27

courammentutilisédansl’industrie(TA6V)sousirradiation.Enparticulierceprojetétudiel’impactdudihydrogène,pouvantdiffuserdanslematériauetainsi lefragiliser,produitparlaradiolysedel’eausur le comportement chimique et la tenue mécanique des alliages. A l’occasion de ce projet, undispositif d’électrochimie in situ (sous irradiation) permettant lamesure de la vitesse de corrosionradiolytiqueduTiaétémisenplace.Ilestimportantdesoulignerqueceprojetimpliquedenombreuxpartenairesacadémiques(SUBATECH,ICB,CEA/DEN)etindustriels(TIMET,EVEA,VALTIMET,DCNS,AREVATA)apportantunegranderichessedepointdevuemaisaussidesdivergencessurunemêmesujet de recherche. Les résultats de ce projet touchant un grand nombre de communautés(académique, industriel, matériau, radiolyse), ils ont été largement diffusés dans 3 conférencesinternationalesdontMRS.Suiteauxrésultatsencourageantdeceprojet,unepropositionserafaiteafindecontinuerlefinancementparl’ANRcourant2016.

Costa,C.;Vandenborre,J.;Crumière,F.;Blain,G.;Essehli,R.;Fattahi,M.,Am.J.Anal.Chem.2012,3,6-11.Crumière,F.;Vandenborre,J.;Essehli,R.;Blain,G.;Barbet,J.;Fattahi,M.,Radiat.Phys.Chem.2013,82,74-79.Essehli,R.;Crumière,F.;Blain,G.;Vandenborre,J.;Pottier,F.;Grambow,B.;Fattahi,M.;Mostafavi,M.,InternationalJournalofHydrogenEnergy2011,36,14342-14348.Ghalei,M.;Ma,J.;Schmidhammer,U.;Vandenborre,J.;Fattahi,M.;Mostafavi,M.,J.Phys.Chem.B2016,120,2434-2439Ghalei,M.;Vandenborre,J.;Blain,G.;Haddad,F.;Mostafavi,M.;Fattahi,M.,Radiat.Phys.Chem.2016,119,142-150.Denden,I.;Essehli,R.;Fattahi,M.,JournalofRadioanalyticalandNuclearChemistry2013,1-7Denden, I.; Poineau, F.; Schlegel, M. L.; Roques, J.; Solari, P. L.; Blain, G.; Czerwinski, K. R.; Essehli, R.; Barbet, J.;Fattahi,M.,J.Phys.Chem.A2014,118,1568-1575.Garaix,G.;Venault,L.;Costagliola,A.;Maurin,J.;Guigue,M.;Omnee,R.;Blain,G.;Vandenborre,J.;Fattahi,M.;Vigier,N.,etal.,Radiat.Phys.Chem.2015,106,394-403.Costagliola, A.; Venault, L.; Deroche, A.; Garaix, G.; Vermeulen, J.; Omnee, R.; Duval, F.; Blain, G.; Vandenborre, J.;Fattahi-Vanani,M.,etal.,Radiat.Phys.Chem.2016,119,186-193.Venault,L.;Garaix,G.;Vandenborre,J.;Moisy,P.,L'ActualitéChimique2016,408-409,106-108.Traboulsi,A.;Vandenborre,J.;Blain,G.;Humbert,B.;Barbet,J.;Fattahi,M.,J.Phys.Chem.C2014,118,1071-1080.Traboulsi,A.;Vandenborre,J.;Blain,G.;Humbert,B.;Haddad,F.;Fattahi,M.,J.Nucl.Mat.2015,467,Part2,832-839.Vandenborre,J.;Crumière,F.;Blain,G.;Essehli,R.;Humbert,B.;Fattahi,M.,J.Nucl.Mat.2013,433,124-131.Noirault,S.;Vandenborre,J.;Blain,G.;Haddad,F.;Fattahi,M.,InSituElectrochemicalBehaviorofTitaniumAlloys(T40,T64)Under4He2+Irradiation.InProceedingsofthe13thWorldConferenceonTitanium,JohnWiley&Sons,Inc.:2016;pp1845-1848.

ConférencesinvitéesJ. Vandenborre, A.Traboulsi, S.Noirault, G.Blain, F.Haddad, M.Fattahi, “Radiolytic corrosion occurring at thesolid/solutioninterfaceinvestigatedatSUBATECH:exampleofUraniumandTitanium“,MILLER2015Conference,14-18Mars2015,Windermere,UKJ.Vandenborre,“Laspéciationsousirradiation:unoutilpourlacompréhensiondelacorrosionradiolytique“,ANF2015,13-19Septembre2015,Fréjus,FranceJ. Vandenborre, A.Traboulsi, G.Blain, F.Haddad, M.Fattahi , “Radiolytic corrosion occurring at the solid/solutioninterfaceinvestigatedatSUBATECH:exampleofUranium“,E-MRS,11-13Mai2015,Lille,France

8.1. RessourcesetmoyensRessourceshumainesIN2P3Groupe Radiochimie SUBATECH: 1 enseignant-chercheurM.Fattahi (Pr), 1 chercheur CNRS CR1J.Vandenborre, 1 IE (G.Blain), 4 post-docs (C.Costa, R.Essehli, A.Traboulsi, S.Noirault), 3doctorants(F.Crumière,I.Denden,M.Ghalei),6stagiairesalternancesMASTER2(M.Dupleichs,L.Leost,B.Clavier,A.Deroche,M.Herbas,O.Makula).6,5ETP(horsstagiaire)sur2012-2015.

Ressourcesfinancières:Budget(k€) Nomduprojet Période Sources RôledeSUBATECH

400 ALPHARAD 2007-2012 CPER Responsable190 FIRST-NUCLIDES 2012-2014 UE TaskLeader

250/900 TESAMI 2013-2017 ANR Porteur220 CISSRAD 2011-2014 ANR Porteur630 ARRONAX+ 2013-2019 EQUIPEX+ Responsable

Plateforme

CollaborationsencoursGrandsInstruments:CyclotronsARRONAX,CEMHTI/SynchrotronSOLEIL/AccélérateurELYSEAcadémiques:LCP,CEA/DEN,UniversitéCergy-Pontoise,IRSN,ICB,IMN

28

IN2P3:IPNOIndustriels:ANDRA,AREVA-TA,TIMET,NEOTISS,DCNSPME:EVEAInternationales:UNLV(USA)

8.2. RéalisationstechniquesTroisprincipalesréalisationstechniquesontétédéveloppéessurlecyclotronARRONAX:(i) Les techniques spectroscopiques in situ permettant l’analyse de la surface d’un solide(spectroscopie Raman), la spéciation en solution (spectrophotométrie UV-Vis) et la mesure de lavitessedecorrosion(Electrochimie)pendantl’irradiationdusystèmeparlesparticulesalpha.(ii)Uneréalisationactuellementencoursestladéterminationderendementsradiolytiquesd’espècesradicalairespossédantuntempsdeviedel’ordredelaµsparlaradiolysepulséealphahauteénergiequin’apasencoreétédéveloppéedanslacommunautéscientifique.Encomplémentdecetteanalysel’installation dans d’un appareil de Résonance Para Electronique a permis de valider les valeurs derendementsradiolytiquespourlesespècesradicalaires.(iii) Lamise enplace sur le site du cyclotrond’un irradiateur gammaapermis la déterminationderendementradiolytiquesurunelargegammed’énergie(del’alphahauteénergie67MeVàlaparticulegammadefaibleénergie660keV).

9. Matériauxcovalents:graphite(modérateurdesanciensréacteursUNGG)Ce projet concerne l’étude des graphites des réacteurs nucléaires de première génération UraniumNaturelGraphiteGaz(UNGG).Cesréacteurssonttousarrêtésetleurdémantèlementgénéreraenviron23000 tonnes de déchets de graphites irradiés. Ces déchets ont été classés par l’ANDRA dans lacatégoriedesdéchetsdeFaibleActivitéàVieLongue(FAVL)etdoiventêtrestockésselonlaloidu28juin 2006. L’irradiation neutronique du graphite en réacteur conduit à la formation de troisradionucléides qui sont à considérer en vue du futur stockage du fait de leur période ou de leuractivité : (i) le 14C en raison d’une activité initiale élevée et de sa période 5730 ans ; (ii) le 3H quicontribuemajoritairement à l’activité initiale et qui, du fait de sa courte période de 12,3 ans, peutconduireàunmarquagedusitedestockageetdel’environnementpendantlapérioded’exploitation;(iii)le36Clquisecaractériseparsatrèsgrandepériodede302000ansetsamobilitédanslesargilesdestockage.Atouslesstadesdelagestiondugraphiteirradié, lerelâchementdecesradionucléidessera fortementconditionnépar leur localisationdans la structuredugraphiteetpar leur spéciationainsi que par leur accessibilité vis-à-vis de la solution aqueuse, notamment au moment de laresaturationeneaudusitedestockage.Parconséquent,unebonneconnaissancelalocalisationetdela formechimiquedeces radionucléidespermetdemieuxappréhender lesmécanismes intervenantdanslerelâchementdecesélémentshorsdugraphitenucléaireaucoursdudémantèlementpuis,lorsdesamanutentionetenphasedestockage.C’est dans ce contexte que l’IPNL a été amené à étudier le graphite depuis 2007. En utilisant uneapprocheindirectebaséesurl’implantationde13C,37Clet2Hpermettantdesimulerrespectivementlaprésence de 14C, 36Cl et 3H, notre objectif est d’élucider les mécanismes qui gouvernent leurcomportementenréacteur.Notamment,ils’agitd’évaluerl’impactdeseffetscouplésetdécouplésdela température, de l’irradiation et de la corrosion radiolytique sur leur migration dans le graphitenucléaire.Lesisotopesontétéimplantésd’unepartdansdugraphitenucléaireviergeporeux.D’autrepart, nous avons utilisé un graphite modèle de type Highly Ordered Pyrolitic Graphite (HOPG) quiprésente l’avantage de simuler les grains de coke, constituant majeur du graphite nucléaire, ens’affranchissant des pores qui sont susceptibles de constituer des court circuits de diffusion et degênerlacompréhensiondesducomportementmigratoiredesisotopesimplantés.Nosrésultatssurlegraphitenucléaireontmontréque,alorsqu’environ25%de37Cletmoinsde10%de2Hétaitrelâchéauboutdequelquesheuresà500°C(températuremaximaledugraphiteatteintedanslesUNGG),desrecuitsdeplusieursheuresà1600°Cn’induisentpasdemigrationdu13C,mêmelorsquelastructuredugraphiteestdésordonnée.Destempératuressupérieuresà1200°Cpermettentlerelâchementcompletde37Clet2H.Lastabilitéentempératuredu13Cesttrèsprobablement liéeàsonincorporationdansdenouvellesstructures(sp3ousp2)dufaitd’uneréorganisationdugraphiteaveclatempérature.

29

L’impactderadiolysedugazcaloporteuretnotammentdeseffetsdelacorrosionradiolytiqueaaussiété étudié notamment afin de mieux comprendre les inventaires en 14C et 36Cl. En effet, lesmodélisations d’EDF basées sur du calcul-mesure font apparaitre un appauvrissement de leurinventairelorsdeleurirradiationenréacteur(pour36Cl,laquantitéde«chloreexplicatif»estiméparEDF ne correspond qu’à 1/100 de la quantité de chlore initial). L’irradiation des interfacesgaz/graphite(implantéen13Couen37Cl)avecdesionsoudesphotonsgammamontrequ’enabsencedeméthane(gazprotecteurdelacorrosionquiest«consommé»lorsdel’irradiation)etlorsquelesradicauxlibresissusdelaradiolysedugazsontproduitsàproximitédel’interfaced’unéchantillondegraphitechaufféà500°C,lasurfacedugraphiteestcorrodéeconduisantainsiàunepertedesisotopesimplantés. Les quantités relâchées dépendent dans ce cas de la progression du phénomène decorrosion. Il apparaît donc que les effets de la corrosion radiolytique soient très probablement àl’originedel’appauvrissementd’unepartieaumoinsdesinventairesen14Cet36Cl.Enfin,nousavonscherchéàcomprendresi l’irradiationdugraphiteensynergieaveclatempératurepouvait également avoir des effets sur le comportement migratoire de 13C et 37Cl. La collision desneutronsavec lesatomesdecarbonede lamatrice induitprincipalementdesdommagesbalistiques.Cependant,unepartiede l’énergiedesatomesde reculestégalement transmiseaugraphiteviadesexcitationsélectroniquesouionisations.Enirradiantavecdesionsdedifférentesnatureseténergies,nous avons pumontrer qu’une gamme de pouvoirs d’arrêt électronique «modérée » de l’ordre de700keV/µm qui correspond à des valeurs « usuelles » de réacteur UNGG, ne favorise pas lerelâchementde13Cet37Cl.Enrevanche,lesdommagesbalistiquesfavorisentlerelâchementde37Clàdes températures inférieures à 400°C du fait de la grande mobilité des interstitiels à cettetempérature.Finalement, l’ensemble de nos expériences ont permis d’obtenir des renseignements précieuxpermettant demieux comprendre le comportement de 36Cl, 14C et 3H et d’en tirer des informationsutilesenvued’unfuturstockage.Nosrésultatsmettentenévidencelesrôlesrespectifsousynergiquesde la températureetde l’irradiationqui induisentunappauvrissementen 36Clcontrastéen fonctiondes zones du modérateur. Le 36Cl est ainsi plus appauvri dans les zones chaudes à haut fluxneutroniqueetmoinsappauvridans leszonesmoins irradiéesetplus froides.Encequiconcerne le14C, ni la température ni l’irradiation ne favorisent son relâchement en l’absence de corrosionradiolytique. La température tend au contraire à le stabiliser dansdenouvelles structures. D’autrepart,dans lesréacteursayantsubideforttauxdecorrosionradiolytique, ilest fortprobablequelesinventairesen36Clet14Cprochedessurfaceslibresaientétéappauvris.

9.1. GenèseetcalendrierLesétudessurlegraphiteontdébutéen2007danslecadredugroupedetravailgraphiteentreEDF,Andra,CEA,CNRS(IPNL,SubatechetENSParis).EllesontétésoutenuesparlePFNEEDS-Déchets.Al’IPNL,ellesontfaitl’objetde5thèsesdepuis2007.

M.LeGuillou,N.Toulhoat,Y.Pipon,N.Moncoffre,N.Bererd,A.Perrat-Mabilon,R.Rapegno ,NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB,332(2014),90M. Le Guillou, J.N. Rouzaud, D. Deldicque, N. Toulhoat, Y. Pipon,N.Moncoffre, Scanning ElectronMicroscopy andRamanmicrospectrometry,Carbon,94,2015,277M.LeGuillou,N.Toulhoat,Y.Pipon,N.Moncoffre,H.Kohdja,JournalofNuclearMaterials,461,(2015)72N.Toulhoat,N.Moncoffre,N.Bérerd,Y.Pipon,A.Blondel,N.Galy,P.Sainsot,J.-N.Rouzaud,D.Deldicque,JournalofNuclearMaterials464,(2015)405M.R.Ammar,N.Galy, J.N.Rouzaud,N.Toulhoat,C.E.Vaudey, P.Simon,N.Moncoffre,,CarbonVolume95, (2015),Pages364–373N. Moncoffre, N. Toulhoat, N. Bérerd, Y. Pipon, G. Silbermann, A. Blondel, N. Galy, P. Sainsot, J N. Rouzaud, D.Deldicque,V.Dauvois,JournalofNuclearMaterials,472,(2016),252M.LeGuillou,N.Moncoffre,N.Toulhoat,Y.Pipon,M.R.Ammar,J.N.Rouzaud,D.Deldicque,Nucl.Instr.Meth.B371(2016),307

9.2. Étatdel’artLe projet a été mené en concertation nationale et internationale. Il s’intègre dans les projetsEURATOMCarbowaste20082013etCAST142014-2018.

9.3. RessourcesetmoyensRessourceshumaines:

30

IPNL:4permanents(N.Toulhoat/N.Moncoffre/N.Bérerd/Y.Pipon)–2doctorants:M.LeGuillou2011–2014etN.Galy2013-2016)et2ingénieursàtempspartiel,correspondantà3,5ETPRessourcesfinancières:Ce projet a été principalement financé par des programmes européens et par la branche ingénieriedémantèlementd’EDFappeléeaujourd’huiDP2D.ProjetCAST50k€NEEDS-Déchets:16k€ContratdecollaborationEDF150k€

9.4. RéalisationstechniquesPlusieurs réalisations techniques ont étémenées à bien, notamment des cellules d’irradiation dontl’unepermet la caractérisationde la surfacedes échantillonsparmicrospectrométrieRaman in-situ(encollaborationavec leCEMHTId’Orléans).LeprojetCASTs’arrêteen2018etaucuneperspectiveultérieuren’estenvisagéepourlemoment.

9.5. Auto-analyseSWOTLaforcedemeuredepouvoirserattacheràdesprogrammeseuropéens,carplusieurspaysenEuropecontinuentàmenerdesétudessurlegraphitenucléaire.Laprincipalemenacesurceprojetestliéeaudésengagementd’EDFquiretardeledémantèlementdesréacteursUNGGetquiamisensuspendlesétudessurlegraphite.UneopportunitéseraitdemettreenplaceetdeparticiperàdesprogrammesinternationauxtelsquedesANRinternationales.

10. Influence de la radiolyse de l’eau et de l’irradiation sur la tribocorrosion del’acier316L

Ce projet original est dédié au suivi de l’évolution des couches passives présentes en surface decertainsmatériaux sous les effets combinés de la corrosion, du frottement et de l’irradiation. Cetteétude fondamentale s’intéresse aux possibles effets synergiques entre ces trois sourcesd’endommagement.Elletrouveuneapplicationpourlesmatériauxpassivablesdel’industrienucléaire(durabilitédes crayonscombustibleset leur cartedeguidage).Lematériaupassivableétudié ici estl’acier 316L. Cette recherche a donné lieu à une collaboration entre le groupe ACE de l’IPNL et legroupeCorrIsdulaboratoireMATEIS(INSALyon).Leprogrammescientifiqueaétéconstruitenquatreétapes:• Développementd’une celluleexpérimentalepermettantd’étudier l’évolutiond’un filmpassifsoumis conjointement à un frottement et à de l’eau radiolysée: Il a été mené en deux phases: ledéveloppementd’unprototypepermettantdedémontrerlafaisabilitédel’étude(financéparNEEDS),puis ledéveloppementd’unecelluleinstrumentéepermettantd’obtenirdesdonnéesquantitativesetreproductibles(travailconjointentrel’IPNLetl’INSAdeLyon).• Etudespermettantd’évaluerl’influencedechaqueparamètre: irradiationdel’eau(corrosionde l’acier316Lsous l’effetde laradiolysede l’eau induiteparun faisceaudeprotons)et frottement(tribocorrosion)• Latroisièmeétapeconsisteraenl’étudeexpérimentaledelatribocorrosionsousirradiationdel’acier.• Laquatrièmeétapeconsisteraenlamodélisationdesrésultats.Leprojetenestaujourd’huiàl’étape2.Les effets de l’irradiation neutronique seront simulés par des pré-endommagements aux ions.L’évolutiondufilmpassifseraétudiéeàl’aidedeméthodesélectrochimiquespourmettreenévidencelesmécanismes de transfert de charge, donc demigration des espèces oxydantes, à travers le filmpassif.Lamicrostructure,ainsiquel’étatdesurfacedeséchantillons,serontétudiéspardesméthodesde caractérisation du solide telle que le MET, MEB, DRX rasants, spectrométrie Raman, XPS… Leliquideirradié,lui,seraanalyséenICP-MSafindequantifieràlafoislesélémentschimiquespassantdusolideàlasolutionetleperoxyded’hydrogène,signaturedelaradiolyse.

31

Ce projet est innovant et pluridisciplinaire. Il permet une collaboration forte entre physiciens etchimistes.Récemment, leCEA(ServicedelaCorrosionetduComportementdesMatériauxdansleurEnvironnement)arejointlacollaboration.

10.1. GenèseetcalendrierLeprojetaété initiéen2014etsoutenuparunfinancementNEEDSblanccar jugétrès innovant.Lafaisabilité technique et expérimentale de l’étude ont été démontrées. Un démonstrateur a étédéveloppéà l’IPNLettestéavecunfaisceaudeprotonsdefaibleénergie(3MeV).LesoutienNEEDSobtenu en 2015 a ouvert la collaboration au CEMTHI à Orléans via le réseau EMIR permettantl’utilisationd’unfaisceaudeprotonsdeplusforteénergie(15MeV).Ledéveloppementd’unecelluleinstrumentéeestencoursderéalisation.

10.2. Étatdel’artA notre connaissance, l’étude conjointe de l’irradiation, du frottement et de la corrosion sur lapassivationdesmatériauxn’ajamaisétéréalisée.Lacollaborationdel’IPNLavecdesspécialistesdelacorrosionpermetledéveloppementdecedispositifexpérimentald’irradiationtoutàfaitoriginal.

10.3. RessourcesetmoyensCollaboration: Depuis juillet 2016, projet tripartite IPNL, MATEIS/INSAet CEA/DEN/SCCMS +collaborationaveclelaboratoireCEMHTICNRSOrléans.RessourceshumainesIN2P3:4physiciens/chimistesdel’IPNLpermanents(N.Bérerd,N.Moncoffre,N.Toulhoat,Y.Pipon)correspondantà1,5ETP; soutiendeséquipesFaisceauxd’Ions,MécaniqueetElectroniquedel’IPNL:2AIàtempspartielRessourcesfinancièresNEEDS:15k€en2014,7,5k€en2015(autantpourlepartenaireINSA).

10.4. RéalisationstechniquesDéveloppementetconstructiond’unecelluledetribocorrosionsousirradiation.

10.5. Auto-analyseSWOTForces:Originalitédusujet,multidisciplinaritédel’étude.Faiblesse:Accèsàdesaccélérateursdesuffisammenthautesénergies(environ15MeV)Opportunités:Collaboration nouvelle avec le CEA à consolider, collaboration avec le CEMTHId’Orléansàconstruire.Menaces:Financementduprojet

32

Perspectives

La compréhension du comportement sous irradiation des solides et de leurs interfaces est unethématiquepour laquelle les laboratoiresde l’IN2P3apportentunecontributiondepremierplanauniveau national et international, au travers de très nombreuses collaborations avec les acteurs dudomaine,lareconnaissancedesgroupesetlaqualitédespublicationsassociées.Ledéveloppementdecesrecherchestrèscentrées‘Matériaux’aétérendupossibleparlacompétencehistoriquedel’IN2P3dans le développement de machines accélératrices ouvertes aux applications non nucléaires, aubrassagedecompétencesàl’interfaceentrePhysique(ladestinéeduprojectile)etChimie(ladestinéedumatériau irradié)de l’irradiation,et laqualitédupersonnel techniqueautourdecesoutils.Cetterichesse de l’interdisciplinarité est une force et l’IN2P3 avait magnifiquement su utiliser lesopportunitésouvertesavec la loiBataillepour s’imposer commeunacteurmajeurdesprogrammesPACEN.

La poursuite à long terme de cette thématique reste cependant assujettie à un certain nombre dequestions:

(i) Le développement du caractère unique et innovant des machines accélératrices et desdispositifs d’analyse in situ en fin de ligne de faisceau (diffraction X, techniques despectroscopie optique, microscopie électronique à transmission, spectrométrie Raman),devenuslanormedansledomainedesmatériauxsousconditionsextrêmes.Cesoutilssontindispensablespourresterentêtedecourseinternationale;

(ii) Lataillesous-critiquedeséquipesderecherche,fortementpréjudiciabledansuncontexteoù les sources de financement sont devenues multipolaires, et qui obligent à faire desarbitrages tropsouventaudétrimentdedéveloppementsscientifiquesplusexploratoiresmaisnéanmoinscruciaux;

(iii) Larelativement faibleparticipationduCNRSen termesdepostedechercheurs (sections13 et 15 INC, et à lamarge en section 05 INP), au regard desmoyens humainsmis parl’Universitécesdernièresannées;

(iv) LefractionnementdelacommunautéauseinmêmedecescommissionsduCoNRS(alorsquelaRadiochimieétaithistoriquementgroupéeauseindefeulacommission19)etdansdifférentsdépartementsdesUniversités(pourneciterqueParis-Saclay,lesdépartementsP2I,PhOM,Chimie,etMEP),pourunecommunautédepetitetaille;

(v) La perte de poids politique de l’IN2P3 dans la définition des grandes orientations dudomaine de l’irradiation desmatériaux nucléaires au plan national, traduite notammentlorsdupassageentre lesGDRdudomaine(MATINEX,GEDEPEON)auDéfiNEEDSetsonprojet fédérateur ‘Matériaux pour l’énergie nucléaire’. Les acteurs industriels ontprogressivementmisl’accentsurlesaspectsdavantageappliqués,voiretotalementdirigésvers l’application,sansque lesacteursacadémiquesne jouentvéritablement leurrôledecontrepoidsnécessairepourgarantirlapérennitéderecherchesàcaractèrefondamental.

Demanièreplusgénérale, il seraitpertinentdes’interrogersur lapolitiquede l’Institutrelativeà laquestiondel’énergienucléaire,entermesdestructurationnationaleetlocale.DansunenvironnementtrèsprofondémentmarquéparleCEAetlesindustrielsdudomaine,ilestàcraindrequenotreseulecommunautédesmatériauxpourlenucléairesoitréduiteàunrôledeGentilMembre,certesrespectéscientifiquement, avec peu de possibilité de se placer en acteur en amont de la définition desprogrammesderecherchenationauxetinternationaux.

33

Pourplusd’informations

Introductionpédagogiqueàcettethématique:MOOC Simulation expérimentale des effets de l’irradiation dans les solides disponible sur le site FUN(France Université Numérique) de l’Université Paris-Saclay dans le coursDes particules aux étoiles(EcoledoctoralePHENIICS):https://www.fun-mooc.fr/courses/ParisSaclay/71001/session01/about

Plateformes:• ANAFIRE(IPNL): http://www.ipnl.in2p3.fr/spip.php?rubrique91• ARRONAX(Nantes): http://www.cyclotron-nantes.fr/spip.php?rubrique85• CIRCÉ(IPHC): http://www.iphc.cnrs.fr/-Cyclotron-CYRCE-.html• FédérationEMIR: http://emir.in2p3.fr• PIAGARA(CENBG):http://www.cenbg.in2p3.fr/-Plateforme-PIAGARA-• SCALP(CSNSM): http://www.csnsm.in2p3.fr/Accelerateursethttp://jannus.in2p3.fr