Effets synergiques de l'hélium et de l'hydrogène dans les matériaux métalliques de structure cubique centrée pour la fusion nucléaire: étude théorique et expérimentale – HSynThEx

Le développement de matériaux avancés est actuellement l'une des problématiques majeures pour permettre à moyen terme la production d'électricité par fusion nucléaire. En effet, les structures envisagées, à la fois dans les Tokamak actuellement à l'étude et dans les réacteurs du futur, doivent pouvoir résister à l’irradiation par des neutrons de 14 MeV ainsi qu’au flux élevé de H/He provenant de la fusion deutérium-tritium. Malgré de nombreux efforts dans ce domaine, l’interaction des éléments du plasma (H, He) avec les matériaux envisagés de structure cubique centrée ainsi que le mécanisme de cloquage (« blistering ») ne sont pas encore bien compris, ce qui rend difficile le développement de matériaux dont la résistance à l’irradiation a pu être optimisée. C’est pourquoi nous proposons de réaliser une étude théorique et expérimentale sur l’effet de He et H sur l’évolution microstructurale de matériaux modèles à base de Fe et W. L’effet de synergie dû à la présence simultanée de He et H sera en particulier abordé dans le cadre de ce projet. Cette collaboration, qui rassemble des compétences françaises et chinoises dans le domaine des matériaux nucléaires, est particulièrement motivée par la forte implication des deux pays dans le projet ITER.

Le travail scientifique envisagé se divise en trois tâches principales. La tâche 1 concerne uniquement la partie expérimentale, c'est-à-dire la caractérisation des interactions entre H/He et des échantillons métalliques base Fe (Fe pur, Fe(C), FeCr) ou base W. Cette étude s’appuie sur plusieurs techniques complémentaires d'analyses structurale et chimique du matériau après implantation ou contact direct avec le plasma H/He. La tâche 2 se déroule parallèlement à la tâche 1 et consiste en une étude à l’échelle atomique des propriétés de diffusion et d’agrégation de He et de H avec les défauts ponctuels, dans Fe et W en utilisant des approches complémentaires. La tâche 3 concerne la simulation directe des résultats expérimentaux en utilisant des modèles mésoscopiques paramétrés par les résultats de la tâche 2. En pratique, la principale caractéristique de ce projet réside dans la comparaison systématique entre les résultats expérimentaux et théoriques. Cette étape sera utile pour valider et améliorer les différentes approximations consenties dans les approches théoriques et pour expliquer les mécanismes à l’échelle atomique qui sous-tendent les données expérimentales. La description phénoménologique de l’effet de synergie de He et H constitue l'un des objectifs importants de ce projet.

Tous les partenaires impliqués ont déjà consacré un effort important dans le domaine des matériaux pour le nucléaire, d’un point de vue expérimental et théorique, qui s’est traduit par plus de 100 publications dans les revues internationales, notamment Nature Materials, Physical Review Letters, Physical Review B et Acta Materialia. Les méthodes de Monte Carlo cinétique et de dynamique d’amas au SRMP (CEA Saclay), la dynamique moléculaire et le champ de phase à BUAA, les installations expérimentales JANNuS au CEA Saclay et le LPG à BUAA sont totalement complémentaires, ce qui justifie pleinement cette collaboration internationale.