7 - Grandeurs physiques fondamentales et dérivées
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7.1.3.6. Calcul de dommages dans les matériaux
Deux types de phénomènes engendrés par les rayonnements sont à l’origine de dommages
dans les matériaux :
– La formation de noyaux nouveaux par transmutation (réactions nucléaires, décroissance
radioactive). C’est ainsi que la formation d’hydrogène et d’hélium provoque l’apparition
de bulles de gaz ayant un effet de dilatation dans le matériau (gonflement des gaines des
crayons combustibles par exemple).
– La modification du réseau cristallin : si une particule du faisceau de rayonnements
possède une énergie suffisante (énergie du seuil), elle peut communiquer à un atome du
réseau cristallin une énergie cinétique telle que celui-ci soit délogé de sa position initiale.
L’atome ainsi éjecté laisse un trou appelé lacune. Il occupe une position nouvelle dans le
réseau cristallin appelée interstitiel. Le couple lacune/interstitiel est appelé paire de Frankel.
Les atomes déplacés au cours de la première collision provoquée par les particules incidentes sont appelés atomes primaires (en anglais Primary Knock-on Atom – PKA).
Les atomes primaires peuvent à leur tour, si leur énergie cinétique est suffisamment élevée,
déplacer d’autres atomes du réseau cristallin. Il se produit ainsi un phénomène appelé
cascade de déplacements.
Ces phénomènes d’endommagement modifient les caractéristiques physico-chimiques et
thermo-mécaniques du matériau irradié (Lemaignan, 2004).
7.1.3.7. Caractérisation des dommages dans un matériau
irradié
Il existe différents indicateurs de dommages qui visent à renseigner sur la tenue des matériaux sous irradiation :
– La fluence des neutrons d’énergie supérieure à 1 MeV (Exemple de la durée de vie des
cuves des réacteurs). Cette grandeur est immédiatement déduite du calcul de propagation
des neutrons. De plus elle est mesurable via une dosimétrie appropriée (Alberman et al.,
1983).
– Les déplacements par atome ou dpa caractérisés par le rapport du nombre des atomes
déplacés dans un volume fixé au nombre d’atomes présents dans ce même volume. Cette
grandeur physique est aujourd’hui calculée de manière approximative par différentes
méthodes.
À ces déplacements d’atomes, on fait correspondre la section efficace de déplacement :
σ i
dpa
(E) associée à la réaction nucléaire j sur l’isotope i :
Unité : dpa>cm 2 .
σ ij (E) : section efficace de la réaction j induite par un neutron d’énergie E sur l’isotope i.
g j (E, T) : densité de probabilité que l’atome primaire de recul ait acquis l’énergie cinétique T.
ν(T) : nombre moyen de déplacements induits par un atome primaire d’énergie T.
N dpa , le nombre de déplacements par atome ou nombre de dpa dans un volume V de
matière est alors obtenu par :
dpa
i
E
( )
ij
j
Α E
( ) g j
Es
ϱ
# E T
,
(
) T
( )dT
ϭ
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7.1.3.6. Calcul de dommages dans les matériaux
Deux types de phénomènes engendrés par les rayonnements sont à l’origine de dommages
dans les matériaux :
– La formation de noyaux nouveaux par transmutation (réactions nucléaires, décroissance
radioactive). C’est ainsi que la formation d’hydrogène et d’hélium provoque l’apparition
de bulles de gaz ayant un effet de dilatation dans le matériau (gonflement des gaines des
crayons combustibles par exemple).
– La modification du réseau cristallin : si une particule du faisceau de rayonnements
possède une énergie suffisante (énergie du seuil), elle peut communiquer à un atome du
réseau cristallin une énergie cinétique telle que celui-ci soit délogé de sa position initiale.
L’atome ainsi éjecté laisse un trou appelé lacune. Il occupe une position nouvelle dans le
réseau cristallin appelée interstitiel. Le couple lacune/interstitiel est appelé paire de Frankel.
Les atomes déplacés au cours de la première collision provoquée par les particules incidentes sont appelés atomes primaires (en anglais Primary Knock-on Atom – PKA).
Les atomes primaires peuvent à leur tour, si leur énergie cinétique est suffisamment élevée,
déplacer d’autres atomes du réseau cristallin. Il se produit ainsi un phénomène appelé
cascade de déplacements.
Ces phénomènes d’endommagement modifient les caractéristiques physico-chimiques et
thermo-mécaniques du matériau irradié (Lemaignan, 2004).
7.1.3.7. Caractérisation des dommages dans un matériau
irradié
Il existe différents indicateurs de dommages qui visent à renseigner sur la tenue des matériaux sous irradiation :
– La fluence des neutrons d’énergie supérieure à 1 MeV (Exemple de la durée de vie des
cuves des réacteurs). Cette grandeur est immédiatement déduite du calcul de propagation
des neutrons. De plus elle est mesurable via une dosimétrie appropriée (Alberman et al.,
1983).
– Les déplacements par atome ou dpa caractérisés par le rapport du nombre des atomes
déplacés dans un volume fixé au nombre d’atomes présents dans ce même volume. Cette
grandeur physique est aujourd’hui calculée de manière approximative par différentes
méthodes.
À ces déplacements d’atomes, on fait correspondre la section efficace de déplacement :
σ i
dpa
(E) associée à la réaction nucléaire j sur l’isotope i :
Unité : dpa>cm 2 .
σ ij (E) : section efficace de la réaction j induite par un neutron d’énergie E sur l’isotope i.
g j (E, T) : densité de probabilité que l’atome primaire de recul ait acquis l’énergie cinétique T.
ν(T) : nombre moyen de déplacements induits par un atome primaire d’énergie T.
N dpa , le nombre de déplacements par atome ou nombre de dpa dans un volume V de
matière est alors obtenu par :
dpa
i
E
( )
ij
j
Α E
( ) g j
Es
ϱ
# E T
,
(
) T
( )dT
ϭ