Le tungstène pour les tokamaks : Evolution de sa microstructure sous irradiation E. AUTISSIER a M-F. Barthe a, C. Genevois a,p. Desgardin a, B. Decamps b, R.Schaeublin c, A. De Backer d, C. S. Becquart d, P. Trocellier e, Y. Serruys e a CEMHTI, CNRS/Orléans University, 3A Rue de la Férollerie, 4571 Orléans, France b CSNSM, Bâtiment 18, 9145 Orsay, France c Metal Physics and Technology Department of Materials, ETH Zürich, HCI G515, 893 Zürich Switzerland d UMET, UMR 827, Université de Lille 1, EM2VM, Villeneuve d Ascq, France e CEA DEN DANS/DMN/SRMP, Saclay, 91191 Gif sur Yvette cedex, France WPMAT E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 1
Contexte ITER, DEMO : W divertor, première paroi? ITER Tokamak Temp. 8-17 C n 14.1 MeV dpa, lacunes, interstitielles.. (n,p) H, (n,α) He E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 2
Contexte ITER, DEMO : W divertor, première paroi? ITER Tokamak Temp. 8-17 C n 14.1 MeV dpa, lacunes, interstitielles.. (n,p) H, (n,α) He Modification de la microstructure et de la composition chimique Evolution des propriétés thermiques, électriques et mécaniques des matériaux E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 3
Contexte ITER, DEMO : W divertor, première paroi? ITER Tokamak Temp. 8-17 C n 14.1 MeV dpa, lacunes, interstitielles.. (n,p) H, (n,α) He Modification de la microstructure et de la composition chimique Evolution des propriétés thermiques, électriques et mécaniques des matériaux Matolich, et al. (1974). Scripta Metallurgica E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 8(7): 837-841. P. 4
Contexte 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2 (a) (d) (f) (g) (b) (c) (e) Loop and Void Void -2.1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 5
Contexte 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2-2 (a) (f) (g) (b) (d) (c) (e) Loop and Void Void Défauts à l origine du gonflement?.1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 6
Contexte 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2 (a) (d) (f) (g) (b) (c) (e) Loop and Void Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 Simulation multi échelle DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM 1-9 DFT -2 1-12 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s).1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 7
Contexte 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2? (a) (d) (f) (g) (b) (c) (e) Loop and Void Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 Simulation multi échelle DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM 1-9 DFT -2 1-12 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s).1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 8
Contexte 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2? (a) (d) (f) (g) (b) (c) (e) Loop and Void Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 Simulation multi échelle DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM 1-9 DFT -2 1-12 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s).1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 9
Détails expérimentaux Japet 2 MV Yvette 2.5 MV Épiméthée 3 MV Saclay Japet Yvette Épiméthée Expériences réalisées à JANNuS (Joint Accelerators for Nanoscience and Nuclear Simulation), France Irradiation W 2 MeV dans un massif : caractérisations post-mortem PAS, MET E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 1
Détails expérimentaux Japet 2 MV Yvette 2.5 MV Épiméthée 3 MV 2 MV ARAMIS 19kV IRMA 2 kv TEM Saclay Orsay Japet Yvette Épiméthée Expériences réalisées à JANNuS (Joint Accelerators for Nanoscience and Nuclear Simulation), France Irradiation W 2 MeV dans un massif : caractérisations post-mortem PAS, MET Irradiation W 1.2 MeV dans couche mince: Caractérisations in situ et postmortem MET E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 11
Détails expérimentaux Irradiation W 2 MeV dans un massif : caractérisations post-mortem Niveau de dommage (dpa) 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2 7 nm. 5 1 15 2 25 3 Profondeur (nm) Positon limite 6.E12 at.cm -2 3.7E13 at.cm -2 3.7E14 at.cm -2 Fluence (at.cm -2 ) Dpa* Température ( C) 6.x1 12.15 2 5 3.7x1 13.1-185 5 3.7x1 14 1-185 5 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 12
Détails expérimentaux Irradiation W 2 MeV dans un massif : caractérisations post-mortem Niveau de dommage (dpa) 2. 1.8 1.6 1.4 1.2 1..8.6.4.2 7 nm. 5 1 15 2 25 3 Profondeur (nm) Positon limite 6.E12 at.cm -2 3.7E13 at.cm -2 3.7E14 at.cm -2 Niveau de dommage (dpa) Irradiation W 1.2 MeV dans couche mince: Caractérisations in situ et postmortem 1.4 1.2 1..8.6.4.2 5 nm. 5 1 15 2 Profondeur (nm) 1.8E12 at.cm -2 1.1E13 at.cm -2 1.1E14 at.cm -2 Epaisseur couche mince Fluence (at.cm -2 ) Dpa* Température ( C) 6.x1 12.15 2 5 3.7x1 13.1-185 5 3.7x1 14 1-185 5 Fluence (at.cm -2 ) Dpa* E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 13 Température ( C) 1.8x1 12.19-185 7 1.6x1 13.11 2 7 1.6x1 14 1.1 -
Exemple de mesure de la taille/concentration des cavités Sur-focalisé Sous-focalisé E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 14
Exemple de mesure de la taille/concentration des cavités Sur-focalisé Sous-focalisé u.arb..6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. Taille des cavités (nm) E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 15
Exemple de mesure de la taille/concentration des cavités Sur-focalisé Sous-focalisé 1.6 1.2 MeV /.19dpa 1.2 MeV /.11dpa 1.4 u.arb. Taille des cavités (nm) 1.2 1..8.6.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. Taille des cavités (nm) -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 Température d'irradiation ( C) E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 16
Exemple de mesure de la taille/concentration des cavités Sur-focalisé Sous-focalisé 1.6 1.2 MeV /.19dpa 1.2 MeV /.11dpa 1.4 u.arb. Taille des cavités (nm) 1.2 1..8.6.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 1.8 2. Taille des cavités (nm) -3-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 8 Température d'irradiation ( C) E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 17
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 18
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Diminue Augmente Decrease 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) Stade 4 11 C Coalescence et/ou élimination? E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 19
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Pas d évolution Diminue Pas d évolution Augmente Decrease Decrease 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) 7 C Stade 3 Stade 4 11 C Coalescence et/ou Pas d évolution élimination? E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 2
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Augmente Pas d évolution Diminue Augmente Pas d évolution Augmente Increase Decrease Decrease 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) 35 C Stade 2 7 C Coalescence Stade 3 Stade 4 11 C Coalescence et/ou Pas d évolution élimination? E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 21
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Pas d évolution Augmente Pas d évolution Diminue Pas d évolution Augmente Pas d évolution Augmente No evolution Increase Decrease Decrease 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) Stade 1 Stade 2 Stade 3 Stade 4 Pas d évolution 35 C 7 C Coalescence 11 C Coalescence et/ou Pas d évolution élimination? E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 22
Etude du recuit des cavités Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 5 4 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Pas d évolution Augmente Pas d évolution Diminue Pas d évolution Augmente Pas d évolution Augmente Pas d évolution Augmente Pas d évolution Diminue 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) Stade 1 Pas d évolution Stade 2 35 C 7 C Coalescence de petits défauts non visibles par MET Stade 3 Pas d évolution 11 C Stade 4 Coalescence et élimination E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 23
S fraction.47.46.45.44.43.42 Taille des cavités Densité des lacunes (nm) Densité des cavités (x1 24 m -3 ) (x1 23 m -3 ) 15 1 5 Petites cavités observables 5 par Pas d évolution PAS 4 et non pas MET 3 2 1 14 12 1 8 6 4 2 Pas d évolution.41 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 Température de recuit ( C).15 dpa, 2 C Pas d évolution Etude du recuit des cavités Augmente Augmente Augmente Pas d évolution Pas d évolution Pas d évolution 2 4 6 8 1 12 14 16 Température de recuit ( C) Diminue Augmente Diminue Stade 1 Pas d évolution Stade 2 35 C 7 C Coalescence de petits défauts non visibles par MET Stade 3 Pas d évolution 11 C Stade 4 Coalescence et élimination E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 24
Résultats 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Cette étude Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2 (a) (d) (f) (g) (b) (c) (e) Loop and Void Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 Simulation multi échelle DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM 1-9 DFT -2 1-12 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s).1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 25
Résultats 12 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Cette étude Température d'irradiation ( C) 1 8 6 4 2 d=1.2±.2nm C=5,67±1.1 23 m -3 d=.74±.2nm C=3,42±1.1 23 m -3 (a) (d) (b) (c) (f) (e) Loop and Void d=.59±.1nm C=5,33±1.1 23 m -3 d=.56±.1nm C=3.83±1.1 23 m -3 (g) Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 1-9 Simulation multi échelle DFT DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM -2 1-12 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s).1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 26
Conclusions Les cavités sont détectées à faible dpa par PAS et MET Lorsque la température d irradiation augmente, la taille des cavités augmente Lorsque la température de recuit augmente, la taille des cavités augmente également, en 3 étapes : o o o 35-7 C : Coalescence de petites cavités 7-11 C : Pas d évolution > 11 C : Coalescence et élimination MET et PAS sont des techniques permettant de détecter des défauts lacunaires mais pas à la même échelle : PAS = Début de la croissance MET = Plus gros défauts E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 27
Merci de votre attention Remerciements: CEMHTI : M-F. Barthe, C. Genevois, P. Desgardin, J. Joseph JANNuS Orsay : B. Décamps, C. Baumier, Accelerator Team JANNuS Saclay : Y. Serruys, E. Bordas ETHZ : R. Schaublin CCFE : D. Mason E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 28
Contexte Température d'irradiation ( C) 12 1 8 6 4 2 JOYO [1] HFIR [1] JMTR [1] Projection pour futur tokamak ITER [2] DEMO [3] Notre étude au CEMHTI Notre étude (a) (d) (b) (c) (f) (e) Loop and Void (g) Void Dimension (m) 1 3 1 1-3 1-6 Simulation multi échelle DFT, MD CP-FEM DD, CA, KMC FEM -2.1.1 1 1 1 Niveau de dommage (dpa) [1] A. Hasegawa et al. / Fusion Engineering and Design 89 (214) 1568 157 [2] A. Barabash et al. / Journal of Nuclear Materials 283 287, (2) 138-146 [3] M. R. Gilbert et al / (213).Journal of Nuclear Materials 442, (213) S755-S76 1-18 1-15 1-12 1-9 1-6 1-3 1 1 3 1 6 Temps (s) E. Autissier, FR FCM meeting, Marseille 24 25/11/216 P. 29 1-9 1-12 DFT