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Nature Communication

Dommage primaire dans les matériaux sous irradiation : l’apport des simulations numériques à l’échelle atomique


​Une collaboration internationale a permis de revisiter le DPA (déplacement par atome), qui est la norme quantifiant la production de dommages primaires dans les matériaux irradiés, actuellement utilisée comme référence pour comparer différentes irradiations entre elles. Initiée par l’OCDE-AEN, elle implique des laboratoires de recherche américains, japonais, et européens dont ceux de la Direction de l'énergie nucléaire du CEA (CEA Den). Une approche théorique, couplée à des simulations numériques à l’échelle nanométrique, a permis de montrer que la norme DPA pouvait être significativement améliorée. Ces résultats sont publiés dans un article de Nature Communication le 14 mars 2018.

Publié le 23 mars 2018

​Les propriétés des matériaux sont intrinsèquement liées à la notion d’ordre cristallin. Or, celui-ci est très fortement modifié lors de l’irradiation par des neutrons au sein d’un réacteur nucléaire. L’irradiation induit des « dommages primaires » au sein du cristal et conduit à un vieillissement du matériau, par exemple une dégradation de ses propriétés d’usage (résistance mécanique, conductivité thermique,…) en fonction de son temps de séjour en réacteur.

L’irradiation d’un matériau par un flux de neutrons au sein d‘une centrale nucléaire conduit, entre autre, à un fort bouleversement de la structure cristalline du matériau à l’échelle atomique. Afin de pouvoir estimer la dégradation des propriétés d’usage qui en résulte (résistance mécanique, conductivité thermique,...), il est indispensable de bien comprendre et quantifier ce bouleversement. Les mécanismes initiaux sont si rapides, de l’ordre de quelques picosecondes, que les simulations atomistiques (par des techniques de dynamique moléculaire) sont un outil de choix pour comprendre et modéliser les défauts créés suite au transfert d’énergie d’une particule incidente (neutron, ion ou électron) vers un atome. Ainsi, en se basant sur des simulations atomistiques réalisées sur quelques métaux purs, une nouvelle approche théorique a pu être mise en place pour estimer quantitativement les « dommages primaires » induits dans le cristal, première étape pour comprendre le vieillissement des matériaux sous irradiation.

Ce résultat aboutit à proposer une nouvelle norme de DPA, beaucoup moins conservative (nombre de défauts créés environ trois fois plus faible) et plus transposable d’une condition d’irradiation à l’autre que celle utilisée jusqu’à présent (norme DPA-NRT proposée en 1975) pour estimer le dommage primaire des matériaux sous irradiation.

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