Effets de l’irradiation

Dans les réacteurs nucléaires, les composants proches du combustible subissent l’irradiation par les neutrons produits lors de la réaction de fission de l’uranium. Ces neutrons couvrent un large spectre d’énergie comme le présente la Figure 5 [23]. Une énergie inférieure à un eV correspond aux neutrons thermiques ; au-dessus de 0,1 MeV environ, il s’agit de neutrons rapides et entre les deux on trouve les neutrons épithermiques. Dans les REP, des neutrons faisant partie de chaque catégorie sont présents. Concernant le vocabulaire employé dans le cadre de l’irradiation neutronique (et de l’implantation ionique), on parle de dose d’irradiation pour définir la quantité totale de neutrons (ou autres (neutrons.cm-2.s-1). On peut également parler de dose d’irradiation comme une mesure de l’endommagement provoqué par les particules incidentes. Dans ce cas, l’unité est le dpa, ou déplacements par atome, qui correspond au nombre de déplacements effectués par chacun des atomes du matériau au cours de l’irradiation. On parle de débit de dose (dpa.s-1) pour illustrer la vitesse d’endommagement des matériaux sous irradiation. Les neutrons énergétiques produits par la réaction de fission entrent en collision avec les atomes qu’ils rencontrent et entrainent des modifications des milieux qu’ils traversent. Dans les REP, la température d’irradiation des aciers inoxydables austénitiques est en général comprise entre 285 et 340 °C. En dessous de 300 °C, les modifications microstructurales induites par irradiation sont dominées par la formation de nombreux petits amas de défauts et de petites boucles de dislocation. Lorsque la température augmente, d’autres défauts entrent en jeu : de plus grandes boucles de dislocation se forment, ainsi que des cavités, et de la ségrégation intergranulaire induite par l’irradiation est observée [14]. L’ensemble de ces défauts sera présenté plus loin dans ce chapitre.

Le premier milieu traversé par les neutrons est l’eau du milieu primaire. L’interaction des neutrons avec l’eau du milieu primaire entraine la radiolyse de celle-ci et participe à la formation de Ce phénomène peut induire une variation du potentiel électrochimique du milieu. En effet, l’apport d’espèces oxydantes dans le milieu peut mener à une élévation du potentiel de corrosion et ainsi accroître la sensibilité à la Corrosion Sous Contrainte (CSC) des composants internes de cuve [10]. Dans les REP, la présence d’hydrogène dissous dans le milieu primaire favorise la formation par radiolyse d’espèces réductrices, contrairement aux Réacteurs à Eau Bouillante (REB), dans lesquels ce problème est de plus grande importance [11].  Lors d’une réaction nucléaire, un neutron incident entre en collision avec le noyau d’un atome de l’alliage. Suivant l’atome cible, cette collision peut engendrer une réaction de transmutation, modifiant la nature de l’atome cible et peut mener à la formation d’hélium. C’est le cas pour les aciers inoxydables, avec des collisions entre les neutrons et les atomes de bore et de nickel, via les réactions suivantes [10] : L’hélium produit, peu soluble dans l’acier, peut s’accumuler au niveau de cavités formées par l’irradiation et donner naissance à des bulles d’hélium sous pression, pouvant contribuer au phénomène de gonflement du matériau. Ces réactions de transmutation sont la conséquence de collisions avec des neutrons de faible énergie, dits neutrons thermiques (≤ eV). Les neutrons de plus forte énergie (> 1 MeV) peuvent produire, quant à eux, des atomes d’hydrogène par réaction de transmutation.

Les interactions inélastiques correspondent à l’absorption d’un neutron par un atome de l’alliage, qui se trouve ainsi dans un état excité. Celui-ci émet alors un autre neutron et, afin de retourner à un état d’équilibre, un ou plusieurs photons γ, menant à un échauffement localisé du matériau. Enfin, dans le cadre d’interactions élastiques, lorsqu’un neutron entre en collision avec un atome du réseau, il lui transmet une partie de son énergie cinétique. Si celle-ci est inférieure à l’énergie limite de déplacement (Ed ≈ 0,4 eV pour le fer), l’atome vibre autour de sa position d’équilibre. Si elle est supérieure, l’atome est éjecté de sa position initiale dans le réseau cristallin. Il laisse derrière lui une lacune et entraine la formation d’une paire lacune-interstitiel, dite paire de Frenkel [10]. Le premier atome éjecté est appelé Primary Knock-on Atom (PKA). Il entre ensuite en collision avec d’autres atomes du réseau et a encore souvent assez d’énergie pour créer de nouvelles paires de Frenkel, ce qui conduit à une cascade de collisions. Ces réactions sont extrêmement rapides (Tableau 2) ce qui ne permet pas de les observer expérimentalement.