Modeling gas-driven microstructural evolution in ODS-EUROFER steel by high dose helium and hydrogen ion implantation

Les aciers ferritiques-martensitiques renforces par dispersion d'oxydes (ODS) sont des materiaux de structure de haute performance pour les futures installations nucleaires de fission et de fusion. Un probleme important pour la performance de ces aciers sous irradiation est leur resistance aux effets nefastes des gaz de transmutation, l'helium et l'hydrogene, avec une attention particuliere aux effets lies a la forte densite de nanoparticules d'oxyde. L'objectif de la these est une etude systematique et fondamentale de l’evolution de la microstructure induite par les gaz legers dans les aciers ODS ferritiques-martensitiques en fonction de la teneur en gaz accumulee, du taux d'endommagement et de la temperature, en accordant une attention particuliere au role des nanoparticules d'oxyde. L'approche experimentale utilisee a consiste a saturer des echantillons avec differentes quantites d'helium et d'hydrogene, par implantation ionique a JANNuS-Orsay, dans des conditions bien controlees. Le materiau de reference utilise etait l'acier ODS-EUROFER. Les modifications microstructurales accompagnant l'accumulation de gaz ont ete revelees par microscopie electronique a transmission. Pour une meilleure comprehension des mecanismes d’interaction de l’helium avec les nanoparticules d’oxyde, les experiences ont ete completees par des implantations ioniques dans un systeme modele de couches minces Y₂O₃/FeCr, et par une modelisation analytique et numerique pertinente. Cependant, leurs contributions au gonflement sont generalement relativement mineures par rapport aux autres populations de bulles. Au contraire, les grosses bulles comportent le risque d'une transition acceleree d’une bulle a une cavite dans des conditions defavorables, ce qui provoque un gonflement non controle des cavites. La viabilite d'un tel effet a ete demontree dans des experiences d'implantation d’ions He et d’irradiation d’ions Au simultanees, et quantifiee a l'aide d'une modelisation analytique. Lors de l'implantation sequentielle d'helium et d'hydrogene dans l'acier ODS-EUROFER, une augmentation notable de l'absorption d'hydrogene a ete observee par rapport a l'acier ne contenant pas d’oxyde. Cependant, la resistance globale a l’irradiation de l'acier n'a ete que faiblement influencee par l'hydrogene, aussi bien dans l'acier ODS-EUROFER que dans le systeme modele Y₂O₃/FeCr. Les effets visibles de l'hydrogene sur la microstructure des bulles etaient mineurs et ne se manifestaient qu'apres l'implantation d’H a temperature ambiante. En resume, l’acier ODS s’avere resistant au gonflement jusqu’a des niveaux tres eleves d’helium et d’hydrogene accumules. La presence de nano-oxydes a haute densite est generalement benefique pour la tolerance a l’irradiation de l'acier, mais leur influence n'est pas aussi forte que celle attendue. Le piegeage de l’hydrogene dans les bulles d’helium ne presente aucun risque potentiel pour la tolerance a l’irradiation de l’acier ODS dans les conditions experimentales etudiees.