Matériaux et Irradiation

Contact(s) pour la thématique : Frédérico Garrido, Aurélie Gentils, Stéphanie Jublot-Leclerc, Jérôme Roques

Emérites: Brigitte Décamps, Lionel Thomé

Description des activités de recherche

Le thème de recherche Matériaux et IRradiation (MIR) se concentre sur les matériaux pour l’énergie, avec un accent particulier mis sur le rôle joué par les faisceaux d’ions soit pour modifier les propriétés des matériaux, soit pour générer des conditions d’irradiation extrêmes, pour des études fondamentales liées à la chimie et à la physique du solide.

Une application pertinente des faisceaux d’ions est la simulation des effets des rayonnements dans des matériaux qui pourraient être placés dans des environnements radiatifs sévères. Ce thème concerne la qualification du combustible nucléaire, les matrices utilisées pour le confinement et / ou la transmutation des déchets nucléaires (produits de fission, actinides), et l’évaluation des matériaux de structure et de gaine de combustible pour les réacteurs nucléaires des prochaines générations (Gen IV et fusion). De telles expériences reposent sur la possibilité d’utiliser des ions de masses diverses à des énergies allant de quelques dizaines de keV à quelques centaines de MeV, couvrant ainsi une large gamme de pouvoir d’arrêt. Ils permettent par exemple la simulation des effets des rayonnements dus à la fission de l’uranium en utilisant des ions lourds rapides, ou la désintégration d’actinides en utilisant des ions lourds de basse énergie et des particules alpha d’énergie de l’ordre du MeV, ou encore la simulation de l’injection de gaz léger dans les réacteurs de fission et fusion. Les faisceaux d’ions de faible énergie sont également utilisés pour la synthèse de matériaux par faisceaux d’ions : les ions sont incorporés dans une matrice solide et un recuit thermique ultérieur favorise généralement la formation hors équilibre de nano-précipités suivant le schéma typique de synthèse par faisceau d’ions.

Pour toutes ces études, l’investigation des mécanismes fondamentaux des interactions ion-solide appliqués à la science des matériaux est centrale, et elle représente un vaste champ de recherche dans lequel des questions fondamentales restent à élucider, notamment en couplant expériences avancées et modélisation.

Thèses en cours

  • Mathis Hitier (depuis octobre 2021, financement NEEDS R3C): Impact de l’irradiation sur la durabilité chimique des échantillons frittés de U1-xThxO2 et U1-xCexO2

Post-doctorants

  • Manoj Rajbhar (02/2024-01/2026), financement IN2P3
  • Antoine Combrisson (06/2024-05/2026), financement NAAREA
  • Ewelina Kucal (06/2024-12/2025), financement ANR BENEFICIA

Thèses soutenues

  • Gabriel Bouhali. Effets de l’irradiation ionique et de l’injection de gaz sur l’évolution microstructurale de l’AlN, financement IJCLab, Université Paris-Saclay, 2023
  • Mohamed El-Bakouri. Approche in silico pour modéliser et caractériser les changements microstructuraux induits par irradiation dans les matériaux – Application au fer et au nickel, financement CNRS 80PRIME, Université Paris-Saclay, 2023
  • Vinicius Oliveira Cavalcanti. Etude de l’accumulation d’hélium aux interfaces oxyde-fer dans des matériaux pour les réacteurs de fusion nucléaire, financement ED PHENIICS, Université Paris-Saclay, 2023
  • Marie-José Saleh-Afif. Formation de la phase alpha prime sous irradiation dans des aciers renforcés par dispersion d’oxydes, financement CEA, Université Paris-Saclay, 2021
  • Dee Jay Cerico. Evolution et modélisation des dommages induits par la désintégration alpha dans l’apatite, financement ED PHENIICS, Université Paris-Saclay, 2021
  • Xin Jin. Combining RBS/Channeling, X-ray diffraction and atomic-scale modelling to study irradiation-induced defects and microstructure changes, financement Université Paris-Saclay et Université de Limoges, 2021
  • Marion Bricout. Comportement du dioxyde d’uranium sous irradiation: effet couplé de l’endommagement nucléaire et des excitations électroniques, financement CEA, Université Paris-Saclay, 2020
  • Olga Emelianova. Modélisation de l’évolution de la microstructure induite par des gaz dans l’acier ODS-EUROFER par implantation ionique à haute dose d’hélium et d’hydrogène, financement Ambassade de France à Moscou et NRNU MEPhI, Université Paris-Saclay, 2020
  • Martin Owusu-Mensah. Compréhension des premiers stades de formation des nano-précipités (Y, Ti, O) dans les aciers ODS (Oxide Dispersion Strengthened), financement ED PHENIICS, Université Paris-Saclay, 2019

Quelques articles récents (liste non exhaustive)

  • S. Jublot-Leclerc, G. Bouhali, C. Bachelet, F. Pallier, L. Largeau, A. Declémy, A. Gentils, Microstructural modifications induced by He implantation at elevated temperature in AlN, Journal of the European Ceramic Society 44,1116699 (2024) doi
  • Vinicius Oliveira Cavalcanti, Jérôme Roques, Denis Horlait, Eric Gilabert, Guillaume Riant, Thomas Colombeau-Bedos, Nicolas Clavier, Aurélie Gentils, Study of helium diffusion in yttria: a multiscale approach based on the density functional theory and kinetic Monte Carlo, with transmission electron microscopy and thermo-desorption spectroscopy, Journal of Nuclear Materials 597,155156 (2024) doi
  • O.V. Emelyanova, A. Gentils, V.A. Borodin, P.S. Dzhumaev, P.V. Vladimirov, R. Lindau, A. Möslang, Microstructural evolution in ODS-EUROFER steel caused by high-dose He ion implantations with systematic variation of implantation parameters, Nuclear Materials and Energy 35, 101456 (2023) doi
  • Vinicius Oliveira Cavalcanti, Jérôme Roques, Aurélie Gentils, Denis Horlait, Eric Gilabert, Laurent Tassan-Got, Understanding helium diffusion in iron: a multiscale modelling method based on the DFT and kinetic Monte Carlo, coupled to TEM and thermo-desorption spectroscopy experiments, Journal of Nuclear Materials 583, 154511 (2023) doi
  • S. Jublot-Leclerc, M. Owusu-Mensah, V.A. Borodin, J.Ribis, L. Largeau, R. Schoell, D. Kaoumi, M. Descoins, D. Mangelinck, A. Gentils, Synthesis of nano-oxide precipitates by implantation of Ti, Y and O ions in Fe-10%Cr: towards an understanding of precipitation in Oxide Dispersion Strengthened (ODS) steels, Materials 15, 4857 (2022) doi 
  • M. El-Bakouri El-Haddaji, J.‑P. Crocombette, A. Boulle, A. Chartier, A. Debelle, Basic study of the relaxation volume of crystalline defects in bcc iron, Computational Materials Science 215, 111816 (2022) doi 
  • G. Gutierrez, M. Bricout, F. Garrido, A. Debelle, L. Roux, C. Onofri, Irradiation-induced microstructural transformations in UO2 accelerated upon electronic energy deposition, Journal of the European Ceramic Society 42, 6633-6641 (2022) doi 
  • Ma, Kan and Decamps, Brigitte and Fraczkiewicz, Anna and Prima, Frederic and Loyer-Prost, Marie, Inversion of dislocation loop nature driven by cluster migration in self-ion irradiated nickel, Scripta Materialia 208, 114338 (2022) doi
  • S. Jublot-Leclerc, G. Bouhali, F. Pallier, A. Declémy, Temperature dependence of elastic strain and damage build-up in He implanted AlN, Journal of the European Ceramic Society 41 (2021) 259 doi
  • O. Emelyanova, A. Gentils, V.A. Borodin, M.G. Ganchenkova, P.V. Vladimirov, P.S. Dzhumaev, I.A. Golovchanskiy, R. Lindau, A. Möslang, Bubble-to-void transition promoted by oxide nanoparticles in ODS-EUROFER steel ion implanted to high He content, Journal of Nuclear Materials 545 (2021) 152724 doi
  • M. Bricout, C. Onofri, A. Debelle, Y. Pipon, R.C. Belin, F. Garrido, F. Leprêtre, G. Gutierrez, Radiation damage in uranium dioxide: coupled effet between electronic and nuclear energy losses, Journal of Nuclear Materials 531 (2020) 151967 doi
  • X. Jin, A. Boulle, A. Chartier, J.-P. Crocombette, A. Debelle, Analysis of strain and disordering kinetics based on combined RBS-channeling and X-ray diffraction atomic-scale modelling, Acta Materialia 201 (2020) 63 doi
  • K. Ma, B. Décamps, A. Fraczkiewicz, T. Jourdan, F. Prima, M. Loyer-Prost, Free surface impact on radiation damage in pure nickel by in situ self-ion irradiation: can it be avoided ? Acta Materialia 212 (2021) 116874 doi
  • L. Thomé, G. Gutierrez, I. Monnet, F. Garrido, A. Debelle, Ionization-induced annealing in silicon upon dual beam irradiation, Journal of Materials Science 55 (2020) 5938 doi