Author: "Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M)" - Searchworks@Jio Institute Digital Library Search Results

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1. First experimental evidence of oxygen ordering in dilute titanium–oxygen alloys

Author: Régis Poulain, Stéphanie Delannoy, Ivan Guillot, Fabienne Amann, Raphaëlle Guillou, Sylvie Lartigue-Korinek, Dominique Thiaudière, Jean-Luc Béchade, Emmanuel Clouet, Frédéric Prima, Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12), Synchrotron SOLEIL (SSOLEIL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), and ANR-19-CE08-0032,TiTol,Développement et caractérisation de nouveaux alliages de titane tolérants à l'oxygène(2019)
Subjects: [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], General Materials Science
Abstract: Small addition of oxygen is currently used to improve the mechanical properties of titanium. It has been thought, until now, that oxygen fully dissolves in the titanium matrix, thus leading to a solid solution. However, we show here, with transmission electronic microscopy and X-ray diffraction, that oxygen can also form ordered precipitates with a Ti6O-type structure, even for a concentration as low as 0.15 wt% O. The ordered precipitates found in a series of pure binary Ti–O alloys are also visible in commercially pure titanium, including grades 2 and 4, two compositions widely used for technological applications. Oxygen-ordered precipitates are experimentally evidenced in a series of Ti–O alloys and in CP titanium. These findings question the paradigm defining oxygen only as a solute atom in titanium alloys.
Published: 2022
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2. Contributions of thermokinetic calculations to the understanding of the microstructural evolutions of E-ATF Cr Coated Zr-based nuclear fuel claddings upon high temperature transients

Author: Toffolon, Caroline, Vu, Tuan-Minh, Gokelaere, Paul, Rouesne, Elodie, Guilbert, Thomas, Joubert, Jean-Marc, Brachet, Jean-Christophe, CEA, Contributeur MAP, Service de recherche en Corrosion et Comportement des Matériaux (S2CM), Département de Recherche sur les Matériaux et la Physico-chimie pour les énergies bas carbone (DRMP), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Institut de Chimie et des Matériaux Paris-Est (ICMPE), and Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Paris-Est Créteil Val-de-Marne - Paris 12 (UPEC UP12)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract: International audience; Chromium coated zirconium based nuclear fuel claddings are among the most promising evolutive concepts in the field of Enhanced Accident Tolerant Fuel (EATF) developments [1-2]. The development of these new claddings has been accelerated since 2011 and the Fukushima-DAICHI nuclear accident. Among some other objectives, one of the main ideas is to develop new concepts of nuclear fuel claddings able to delay the High Temperature (HT) steam oxidation kinetics and the associated hydrogen production (explosion risk) and to improve the resultant Post-Quenching (PQ) cladding strength and ductility upon and following hypothetical accident conditions such as Loss-of-Coolant-Accident (LOCA). In this context, Cr-coated Zr based alloys, with 10-20µm thick Cr coating (PVD deposition), show promising behaviour .
Published: 2023

3. Defect microstructure of a Ti64 alloy under TI2+ ion irradiation. Influence of dose and temperature

Author: Sylvie Doriot, Joël Malaplate, Benoît Arnal, France Dalle, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, ANR-12-RMNP-0005,TESAMI,Titane et Ses Alliages en Milieux Irradiés(2012), and ANR-11-EQPX-0020,GENESIS,Groupe d'Etudes et de Nanoanalyses des Effets d'IrradiationS(2011)
Subjects: Nuclear and High Energy Physics, Nuclear Energy and Engineering, General Materials Science, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract: International audience; The present paper focuses on the microstructural changes in Ti64 alloy after irradiation. Titanium alloys allow a significant decrease in activation and mass with similar mechanical strength and corrosion resistance than 304 stainless steel, widely used for core internal structures of Pressurized Water Reactors (PWR). The use of titanium alloys could be therefore a significant improvement for reactor exploitation and decommissioning. The nature, size and density of radiation-induced defects are likely to be important parameters governing the in-reactor behavior of the material. The aim of the study was to devise new achievements in thin foil preparation and Transmission Electron Microscopy (TEM) imaging in order to accurately identify and quantify the Ti64 irradiation defects, at temperatures representative of irradiation temperatures in a reactor. The method to image and count the precipitates was developed with samples irradiated by ions at the temperature of 600°C. Indeed, the microstructure of the sample irradiated at 600°C was characterized by a low density of tangled dislocations, and big precipitates, that were easily evidenced. Then the process was applied in samples irradiated with ions at 430°C and 300°C characterized by a microstructure of tangled dislocations, loops and small precipitates. In 430°C irradiation condition, the counting in dark field with a B~[11-23]orientation and with a high magnification micrograph provided similar results than APT analyses. In irradiation condition at 300°C, the precipitates were imaged by TEM as soon as the dose of 1 dpa. However they were not observed at the dose of 0.4 dpa. The precipitates were so small and their density was so high that the counting by TEM was very imprecise and Atom Probe Tomography (APT) analyses were needed. The results of this microstructural analysis allowed a discussion on the nucleation mechanism of the irradiation defects in Ti64 alloy.
Published: 2023
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4. Fragmentation du combustible nucléaire UO2 en environnement oxydant : Etude cinétique et phénoménologique

Author: Quémard , Ludovic, Desgranges , Lionel, Bouineau , Vincent, Valdivieso , Françoise, Pijolat , Michèle, Millot , Nadine, Nièpce , Jean-Claude, Baldinozzi , Gianguido, Poulesquen , Arnaud, Toucas, Andrée-Aimée, Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles (LM2C), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels (SPIN-ENSMSE), École des Mines de Saint-Étienne (Mines Saint-Étienne MSE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT), Laboratoire des Procédés en Milieux Granulaires (LPMG-EMSE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département Procédés et évolution des systèmes avec solides (ProcESS-ENSMSE), Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-SPIN, Laboratoire de Recherche sur la Réactivité des Solides (LRRS), Université de Bourgogne (UB)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de Mesures et Modélisation de la Migration des Radionucléides (L3MR), Service d'Etudes du Comportement des Radionucléides (SECR), Département de Physico-Chimie (DPC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Physico-Chimie (DPC), CEA Cadarache, Université de Bourgogne, Ecole Centrale Paris, CEA Saclay, Laboratoire des Lois de Comportement du Combustible ( LLCC ), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ), Centre Sciences des Processus Industriels et Naturels ( SPIN-ENSMSE ), École des Mines de Saint-Étienne ( Mines Saint-Étienne MSE ), Institut Mines-Télécom [Paris]-Institut Mines-Télécom [Paris], Laboratoire des Procédés en Milieux Granulaires ( LPMG-EMSE ), Institut Mines-Télécom [Paris]-Institut Mines-Télécom [Paris]-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Département Procédés et évolution des systèmes avec solides ( ProcESS-ENSMSE ), Institut Mines-Télécom [Paris]-Institut Mines-Télécom [Paris]-SPIN, Laboratoire de Recherche sur la Réactivité des Solides ( LRRS ), Université de Bourgogne ( UB ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides ( SPMS ), CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux ( LA2M ), Laboratoire de Mesures et Modélisation de la Migration des Radionucléides ( L3MR ), Département de Physico-Chimie ( DPC ), and Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA ) -Université Paris-Saclay-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives ( CEA )
Subjects: fragmentation, [SPI.GPROC] Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, combustible UO2, oxydation, [ SPI.GPROC ] Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, [SPI.GPROC]Engineering Sciences [physics]/Chemical and Process Engineering, entreposage à sec
Abstract: Une des voies envisagées pour apporter de la flexibilité à la gestion du combustible UO2 usé/irradié est son entreposage à sec. Ce mode de gestion pose en particulier la question de la tenue du combustible en cas de scénario accidentel qui entraînerait la mise à l'air des pastilles de UO2. La cinétique d'oxydation et la phénoménologie de la fragmentation de UO2 entre 250 et 330°C ont été étudiées à partir de vieillissements sous O2 et sous air de monocristaux et de fragments de pastilles de combustible non irradiés. En environnement oxydant, l'initiation de la fissuration semble due à la relaxation des contraintes de traction induites par la contraction du réseau cristallin lors de la croissance d'une couche de U4O9/U3O7 en surface de UO2. Ainsi, une période d'incubation avant fissuration, dont la durée chute avec l'augmentation de la température, est mise en évidence. Durant leur oxydation, monocristaux et fragments présentent une fissuration progressive conduisant à leur subdivision jusqu'à une taille de grain submicronique.
Published: 2006

5. Radiation damage in ion-irradiated CeO$_2$ and (Ce, Gd)O$_2$ sinters: effect of the Gd content

Author: Jean-Marc Costantini, Gaëlle Gutierrez, Gérald Lelong, Maxime Guillaumet, Pooreun Seo, Kazuhiro Yasuda, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Kyushu University, CEA- Saclay (CEA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Sorbonne Université (SU), Propriétés des amorphes, liquides et minéraux [IMPMC] (IMPMC_PALM), and Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [PHYS]Physics [physics], Nuclear and High Energy Physics, Nuclear Energy and Engineering, General Materials Science
Abstract: International audience; The radiation damage induced in cerium dioxide CeO$_2$ and cerium-gadolinium mixed oxides (Ce, Gd)O$_{2-x}$ was studied by micro-Raman spectroscopy and diffuse UV-visible reflectance spectroscopy. Sintered samples of undoped CeO$_2$ and (Ce, Gd)O$_{2-x}$ for 1 mol% and 5 mol% of Gd$_2$O$_3$ were irradiated at room temperature with 2.5-MeV Ar$^{2+}$ and 12-MeV Ar$^{4+}$ ions up to high fluences (i.e. 5x10$^{14}$ cm$^{-2}$ and 2.1x10$^{14}$ cm$^{-2}$ respectively). The Raman spectra show that no amorphization of those oxides occurs whatsoever, regardless of the Gd content. However, the damage cross section deduced from the decay of F$_{2g}$ peak intensity versus fluence seems to decrease with the Gd$^{3+}$ content. Moreover, the reflectivity spectra show a clear decrease of the band-gap energy and increase of the Urbach energy arising from point defect accumulation. Similar effects are found for 1 mol% and 5 mol% Gd$_2$O$_3$, whereas a larger effect on band tailing is seen for undoped ceria. The respective roles of nuclear collisions and electronic excitations are discussed for both ion energies knowing that the two kinds of measurements do not probe the same sample depth. The substitution of Gd$^{3+}$ ions for Ce$^{4+}$ ions is likely reducing the damage and the formation of band tails related to the formation of Ce$^{3+}$ ions by electronic excitation processes.
Published: 2022
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6. Numerical investigation of dislocation climb under stress and irradiation

Author: D. Da Fonseca, F. Onimus, F. Mompiou, M.-C. Marinica, E. de Sonis, E. Clouet, T. Jourdan, Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), and Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Polymers and Plastics, Metals and Alloys, Ceramics and Composites, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Electronic, Optical and Magnetic Materials
Abstract: International audience; We investigate the influence of elastic properties of point defects on dislocation climb under stress and irradiation. For this purpose, elastic dipole tensors and diaelastic polarizabilities are evaluated in aluminum for vacancies and self-interstitial atoms in their stable and saddle configurations, using density functional theory calculations. These parameters are introduced in an object kinetic Monte-Carlo code and a continuous diffusion model to estimate the stress dependence of dislocation climb, using a dipole of straight dislocations. We show that both parameters have an influence on absorption of point defects under stress, in agreement with previous analytical models. However, the effect of dipole tensor is found only 5 times larger than polarizability, whereas models predict a factor up to 30. In addition, including polarizability reverses the stress angular dependence when a uniaxial stress is applied orthogonal to the dislocation line, so in general polarizability cannot be ignored for simulations under applied stress. Further comparison with analytical models shows that they give a good description of angular dependence, provided saddle point configuration of point defects is not too anisotropic. For vacancies, which are strongly anisotropic in their saddle configuration, models fail to reproduce quantitatively lattice effects on stress angular dependence observed in simulations. Calculations show that dislocation climb velocity under irradiation is expected to be the highest if the stress is approximately orthogonal to the dislocation line, especially along the Burgers vector, and the lowest if the stress is applied close to the direction with the largest projection on the dislocation line.
Published: 2022
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7. Raman spectroscopy study of damage in swift heavy ion-irradiated ceramics

Author: Jean‐Marc Costantini, Gaëlle Gutierrez, Gérald Lelong, Maxime Guillaumet, Md. Majidur Rahman, Kazuhiro Yasuda, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Lab JANNUS, Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC), Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Jagannath University [Bangladesh], Kyushu University, The cross-cutting basicresearch program (RTA program) of the CEA energy division, CEA, Université Paris-Saclay (CEA), CEA- Saclay (CEA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Propriétés des amorphes, liquides et minéraux [IMPMC] (IMPMC_PALM), and Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Muséum national d'Histoire naturelle (MNHN)-Institut de recherche pour le développement [IRD] : UR206-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: [PHYS]Physics [physics], [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], General Materials Science, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], Spectroscopy
Abstract: International audience; Raman scattering is applied to probe the radiation damage in swift heavy ion-irradiated ceramics, namely zirconium nitride (ZrN), ceria (CeO$_2$), and yttria-stabilized zirconia (ZrO$_2$: Y, or YSZ) for about the same high electronic stopping powers of heavy ions. Raman spectra show that those ceramics are radiation-resistant materials which are not amorphized by such irradiations even for large track overlap at high fluences. However, the increase of the TA/LA and TO/LO band intensities versus fluence is evidenced after 100-MeV Xe ion irradiation of ZrN up to a saturation for the fluence of 3x10$^{12}$ cm$^{-2}$. The band growths are ascribed to the increase of the concentration of Zr and N vacancies induced by electronic excitations inside tracks. For ceria, the decrease and broadening of the main F$_{2g}$ peak of the fluorite-like structure and the growth of a broad defect band is observed versus fluence up to 10$^{14}$ cm$^{-2}$ for 200-MeV Xe ion irradiation. For YSZ, Raman spectra mainly give evidence of the intrinsic lattice disorder arising from the native oxygen vacancies, even up to high fluences (3x10$^{13}$ cm$^{-2}$) for 200-MeV I and 200-MeV Au ion irradiation. Results are discussed on the basis of the interplay between the native structural disorder and the radiation-induced disorder by electronic excitation in those three materials.
Published: 2022
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8. Effect of grain boundary planes on radiation-induced segregation (RIS) at near Σ3 grain boundaries in Fe-Cr alloy under ion irradiation

Author: Q. Barrès, O. Tissot, E. Meslin, I. Mouton, B. Arnal, M. Loyer-Prost, C. Pareige, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Groupe de physique des matériaux (GPM), Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), ANR-11-EQPX-0020,GENESIS,Groupe d'Etudes et de Nanoanalyses des Effets d'IrradiationS(2011), and ANR-10-EQPX-0037,MATMECA,MATériaux-MECAnique/Elaboration-Caractérisation-Observation-Modélisation-Simulation(2010)
Subjects: Mechanics of Materials, FeCr, Transmission Kikuchi diffraction (TKD), Mechanical Engineering, General Materials Science, Radiation-induced segregation (RIS), Grain boundary, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Condensed Matter Physics, Atom probe tomography (APT)
Abstract: International audience; Ferritic Martensitic and ODS steels are widely studied for applications in the next generation of nuclear reactor. Their good mechanical properties and corrosion resistance make them good candidates. Under irradiation flux, migration of point defects leads to different mechanisms including radiation-induced segregation (RIS). This type of segregation affects defect sinks such as grain boundaries (GB). Many parameters influence the amplitude of the RIS such as temperature, dose, chemical composition of the alloy… This paper presents the quantification of GB plane variation on RIS. Two different Σ3 (60° ) GB were investigate using EBSD and TKD for structural characterization and APT and STEM/EDS for chemical quantification. This work revealed W-shape profiles of Cr across GBs and a heterogeneous precipitation of Cr-C rich particles in GBs planes after irradiation. Our work shows that not only the amplitude but also the sign of the Gibbsian Excess may be affected by the GB plane.
Published: 2022
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9. Etude expérimentale et numérique du fluage d’irradiation des matériaux métalliques

Author: Khiara, Nargisse, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Université Grenoble Alpes [2020-....], Yves Bréchet, and Fabien Onimus
Subjects: Cuivre, Microscopie Electronique en Transmission, Dynamique moléculaire, Heavy ion irradiation, Fluage, Creep, MEMS-Type technology, Molecular dynamics, [CHIM.RADIO]Chemical Sciences/Radiochemistry, Copper, Transmission electron microscopy, Irradiation aux ions lourds, Technologie MEMS
Abstract: In nuclear applications, it is of the utmost importance to understand the microstructural and mechanical changes occurring under irradiation for the selection, development, and long-term assessment of structural materials. Irradiation effects are complex, involving the generation and clustering of point defects, but also of byproducts of neutron irradiation such as helium through (n,α) reactions, leading to the formation of pressurized helium bubbles. These irradiation defects enhance or induce physical phenomena such as embrittlement, swelling, growth, or irradiation creep. Among these phenomena, irradiation creep, a visco-plastic deformation mechanism occurring under constant load and long-term irradiation, is particularly complex to characterize. Usually, irradiation creep experiments are conducted on bulk material samples within test reactors under combined fast neutron flux and applied mechanical load. However, such experiments suffer from major drawbacks such as long irradiation periods, activation of the test material, and no option for in-situ characterization of the elementary physical mechanisms at the origin of the macroscopic behavior.Heavy ions can be an alternative to neutrons since heavy ion irradiation experiments are less expensive and faster than in-reactor experiments. They are also easier to set up since they do not induce the activation of the matter. However, the penetration depth is much lower for heavy ions than neutrons and is limited to a few hundred nanometers. Therefore, the sample thicknesses should be of this order of magnitude.This PhD thesis proposes alternative experiments based on the coupling of heavy ion irradiation and micromechanical testing with sample thicknesses compatible with heavy ion irradiation. The experiments are performed on copper, which is widely investigated in the nuclear field and is considered a model material for FCC structures. In addition, in order to take into account the generation of helium that occurs under neutron irradiation but does not occur under ion irradiation, copper samples pre-implanted with helium are also considered in the present work.The first experimental approach used in this thesis is based on a novel MEMS-type technology developed at UCLouvain by the team of Thomas Pardoen and Jean-Pierre Raskin. The main objective of this technique is to deform sub-micron thin films in order to extract the stress-strain response. Irradiation creep experiments are performed on these thin films at moderate to high stresses. A power creep law with respect to the ratio between the applied stress and the yield stress is determined with an exponent of 4. This form of law is obtained for pure Cu, irradiated Cu, and He implanted Cu, demonstrating the generality of this law. Moreover, based on the power law determined and on microstructural considerations, the underlying irradiation creep mechanisms are suggested to be based on the glide of dislocations.Furthermore, in order to directly access the irradiation creep mechanisms, in-situ TEM straining experiments under heavy ion irradiation are performed on pure Cu. The irradiation-induced glide of dislocation is observed at high stresses. Based on experimental and theoretical considerations, it is proposed that this phenomenon is triggered by the displacement cascades generated under irradiation. This novel high-stress irradiation creep mechanism is then validated based on molecular dynamics simulations.; Pour les applications nucléaires, il est essentiel de comprendre les changements microstructuraux et mécaniques ayant lieu sous irradiation pour l’évaluation de la tenue à long terme ainsi que l’optimisation des matériaux de structure. Les effets d’irradiation sont complexes, impliquant la génération et agglomération de défauts ponctuels, mais aussi des réactions nucléaires comme la réaction (n,α) qui induit la formation d’hélium précipitant sous forme de bulles. Tous ces effets d’irradiation ont des conséquences sur le comportement macroscopique des matériaux en réacteur, se traduisant par exemple par de la fragilisation, du gonflement, ou du fluage d’irradiation. Le fluage d’irradiation est une déformation viscoplastique qui se produit sous chargement constant et sous irradiation. Celle-ci est particulièrement difficile à caractériser. Habituellement, les expériences de fluage d’irradiation sont réalisées sur des matériaux massifs en réacteur sous l’action combinée d’irradiation neutronique et de chargement mécanique. Cependant, de telles expériences présentent des inconvénients majeurs ; elles sont longues, coûteuses, et activent la matière. Par ailleurs, elles ne permettent pas une observation in-situ des mécanismes physiques sous-jacents.Afin de s’affranchir de ces difficultés, une alternative est d’irradier les matériaux par des ions lourds plutôt qu’avec des neutrons. En effet, les irradiations aux ions lourds n’induisent pas l’activation du matériau et nécessitent des temps d’irradiation plus courts, tout en reproduisant un dommage similaire à celui des neutrons. Cependant, des différences notables existent entre une irradiation aux ions et aux neutrons. Par exemple, les ions lourds pénètrent peu la matière (sur quelques centaines de nanomètres). De ce fait, l’épaisseur des échantillons doit être de cet ordre de grandeur.L’objectif de ce travail de recherche est de coupler des irradiations aux ions lourds et des essais micromécaniques avec de faibles épaisseurs d’échantillons. Les différentes expériences ont été réalisées sur des échantillons en cuivre qui est un matériau modèle largement étudié dans le domaine du nucléaire. Par ailleurs, afin de prendre en compte la génération d’hélium sous irradiation aux neutrons (qui n’a pas lieu sous irradiation aux ions), des échantillons de cuivre pré-implantés à l’hélium ont également été étudiés.La première méthode utilisée s’appuie sur des technologies novatrices de type MEMS développées à l’UCLouvain par l’équipe de Thomas Pardoen et Jean-Pierre Raskin. Ces technologies permettent de réaliser des essais mécaniques sur des éprouvettes micrométriques et d’extraire les contraintes et déformations dans le matériau. Les essais de fluage d’irradiation réalisés sur ces éprouvettes ont permis de déterminer que le fluage d’irradiation à moyenne et haute contrainte pouvait être décrit par une loi puissance avec un exposant de 4 en fonction du rapport de la contrainte appliquée et de la limite d’élasticité (σ/σ_y). Une loi de cette forme a été déterminée à la fois pour le cuivre pur, le cuivre irradié, et pour le cuivre implanté à l’hélium, ce qui démontre sa généralité. De plus, à partir de la forme de cette loi et de caractérisations microstructurales, il a été suggéré que les mécanismes sous-jacents sont basés sur le glissement des dislocations.Par ailleurs, afin d’avoir un accès direct aux mécanismes de fluages d’irradiation, des expériences in-situ de traction sous irradiation aux ions lourds ont été réalisées sur du cuivre pur dans un microscope électronique en transmission. Le glissement des dislocations assisté par l’irradiation a été observé à haute contrainte. En s’appuyant sur des considérations expérimentales et théoriques, il a été proposé que ce glissement était induit par les cascades de déplacements générées par l’irradiation. Ce nouveau mécanisme de fluage d’irradiation haute contrainte a ensuite été vérifié par des simulations de dynamique moléculaire.
Published: 2021

10. X-ray diffraction study of oxygen deficient Y2Ti2O7− pyrochlore powders synthesized by high-energy ball milling (HEBM)

Author: Josserand, Guillaume, Chaffron, Laurent, Ribis, Joel, Giroux, Pierre-Francois, Gloriant, Thierry, Simeone, David, Laboratoire des Technologies des Matériaux EXtrêmes (LTMEx), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Inorganic Chemistry, Defective ionic structure, Materials Chemistry, Ceramics and Composites, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Physical and Theoretical Chemistry, Condensed Matter Physics, Oxygen-deficient pyrochlore, X-ray diffraction, Electronic, Optical and Magnetic Materials
Abstract: International audience; Y$_2$Ti$_2$O$_7$ pyrochlore are widely used for various applications, from oxygen transport to materials strengthening. Ultra-pure oxygen deficient Y$_2$Ti$_2$O$_{7-\delta}$ pyrochlore powders synthesized by high-energy ball milling (HEBM) are studied by X-ray diffraction (XRD). Rietveld analysis of diffraction patterns reveals that a large oxygen sub-stoichiometry can be accommodated in this material with only minor structural changes. This accommodation results from the ability of Ti ions to change their valence state, which is confirmed by complementary EELS analysis. It may also explain why Y$_2$Ti$_2$O$_7$ is both radiation and mechanical milling resistant. This work highlights the fact that selection of cations allows rigid ionic structures like pyrochlore to accommodate a large amount of point defects.
Published: 2022
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11. On-line optical absorption of electron-irradiated yttria-stabilized zirconia

Author: Costantini, Jean-Marc, Cavani, Olivier, Boizot, Bruno, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), the Cross-cutting basic research program (RTA program) of the CEA energy division, and Emir network
Subjects: General Materials Science, General Chemistry, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], Condensed Matter Physics
Abstract: International audience; The kinetics of color-center formation and decay in electron-irradiated cubic yttria-stabilized zirconia (ZrO$_2$: Y$^{3+}$) is followed by on-line UV-visible absorption spectroscopy. Growth and time decay of absorption spectra was measured upon electron irradiation and subsequent beam shut-off for energies of 0.8, 1.0, 1.75, and 2.5 MeV. For a high beam current intensity, spectra are fitted by two broad absorption bands centered at 3.0 eV and 3.8 eV. Such bands are assigned to the so-called T-center, i. e. Zr$^{3+}$ ions in a trigonal point symmetry, which is produced by ionization processes either by photon irradiation or charged particle irradiation. A red-shift of absorption spectra is observed for lower current intensities regardless of electron energy. Such a modification is attributed to a change in the local environment of Zr$^{3+}$ ions due to the formation of neighboring oxygen vacancies by elastic collisions, depending on the electron energy and enhanced by a higher flux. A common behavior of increase of the differential absorbance to similar saturation values after accumulation of the irradiation dose and time-decays to similar non-zero asymptotic values are observed, regardless of the electron energy. However, the rise time and lifetime deduced from growth and decay curves of the absorbance are depending on the electron energy. The increase and saturation of the T-center growth rate with electron energy is attributed to competitive channels of hole trapping on the oxygen and zirconium vacancies induced by elastic collisions. The present on-line experiments reveal the complex process of point-defect generation resulting from the interplay of displacement damage and electronic excitations.
Published: 2022
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12. Chemical and structural evolution of nano-oxides from mechanical alloying to consolidated ferritic oxide dispersion strengthened steel

Author: Gabriel Spartacus, Joël Malaplate, Frédéric De Geuser, Isabelle Mouton, Denis Sornin, Michel Perez, Raphaëlle Guillou, Benoit Arnal, Elodie Rouesne, Alexis Deschamps, Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Royal Institute of Technology [Stockholm] (KTH ), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Matériaux, ingénierie et science [Villeurbanne] (MATEIS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), This research was founded by the Reactors of 4th Generation (R4G) program of the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA)., ANR-11-EQPX-0020,GENESIS,Groupe d'Etudes et de Nanoanalyses des Effets d'IrradiationS(2011), CEA- Saclay (CEA), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Subjects: History, Polymers and Plastics, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Metals and Alloys, Ceramics and Composites, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Business and International Management, Industrial and Manufacturing Engineering, Electronic, Optical and Magnetic Materials
Abstract: International audience; Ferritic Oxides Dispersion Strengthened (ODS) steels are of great interest for nuclear fission and fusion power plants. The nano-oxides embedded into the matrix provide the main contribution to the ODS steel strength. Understanding of the precipitation mechanism of ODS steels is thus critical for optimizing the fabrication process, involving Mechanical Alloying (MA) of Fe-14Cr, Y2O3 and TiH2 powders. In this study, results from small-angle X-ray and neutron scattering, atom probe tomography and electron microscopy have been combined to investigate the nano-oxides evolution throughout the whole consolidation thermal treatment until 1100 °C. After MA clusters are observed, composed of Y, O and Ti. During heating these clusters grow and new ones nucleate, together with a sequential enrichment in Ti (from as-MA to 700 °C) and Y (between 900 and 1100 °C). A small quantity of Al is also found in the nano-oxides between 700 and 1100 °C. At 1100 °C the nano-oxides are found to be mainly Y2Ti2O7 and subsequently progressively transform to Y2TiO5 during isothermal holding. Nano-oxides display however an unchanged extremely low coarsening rate, demonstrating the outstanding stability of both Y2Ti2O7 and Y2TiO5 at 1100 °C.
Published: 2022
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13. Laser Beam Direct Energy Deposition of graded austenitic-to-martensitic steel junctions compared to dissimilar Electron Beam welding

Author: Flore Villaret, Yann Decarlan, Pascal Aubry, X. Boulnat, Satoshi Ohtsuka, Yasuhide Yano, Damien Fabrègue, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon, laboratoire d'ingénierie des surfaces et lasers (LISL), Service d'études analytiques et de réactivité des surfaces (SEARS), Département de Physico-Chimie (DPC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Physico-Chimie (DPC), Japan Atomic Energy Agency [Ibaraki] (JAEA), and Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)
Subjects: Heat-affected zone, Materials science, Additive manufacturing, Gradient material, Mechanical properties, 02 engineering and technology, Welding, 01 natural sciences, law.invention, law, 316L, 0103 physical sciences, Electron beam welding, Deposition (phase transition), General Materials Science, Tempering, Composite material, 010302 applied physics, Austenite, Mechanical Engineering, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Fe–9Cr–1Mo, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, Microstructure, Mechanics of Materials, Martensite, 0210 nano-technology
Abstract: International audience; This article presents the Direct Metal Deposition (DMD) process as a method to build a graded austenitic-to-martensitic steel. Builds are obtained by varying the ratio of the two powders upon DMD processing. Samples with gradual transitions were successfully obtained thanks to the use of a high dilution rate from a layer to another. Long austenitic grains are observed on 316L side when martensitic grains are observed on Fe-9Cr-1Mo side. In the transition zone, the microstructure is mainly martensitic.Characterizations were performed after building and after a tempering heat treatment at 630°C during 8h and compared to dissimilar Electron Beam welds. Before heat treatment, DMD graded area has high hardness values (around 430 HV) due to fresh martensite formed during building. Tempering heat treatment allows reducing hardness in this area to 300 HV. EDS measurements indicate that the chemical gradient between 316L and Fe-9Cr-1Mo obtained by DMD is smoother than the chemical change obtained in Electron Beam (EB) welds. Microstructures in DMD are quite different from those obtained by EB welding. Hardness measurements in DMD samples and in welds exhibit similar behaviours: the weld metal and the Fe-9Cr-1Mo heat affected zone are relatively hard after welding because of fresh martensite, such as the DMD transition zone. These areas are all softened by the tempering heat treatment.
Published: 2021
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14. Effect of Heavy Ion Irradiation Dose Rate and Temperature on α’ Precipitation in High Purity Fe-18%Cr Alloy

Author: Yajie Zhao, Arunodaya Bhattacharya, Cristelle Pareige, Caleb Massey, Pengcheng Zhu, Jonathan D. Poplawsky, Jean Henry, Steven J. Zinkle, The University of Tennessee [Knoxville], Oak Ridge National Laboratory [Oak Ridge] (ORNL), UT-Battelle, LLC, Groupe de physique des matériaux (GPM), Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Subjects: History, Polymers and Plastics, Atom-probe tomography, Metals and Alloys, Precipitation, Ferritic steels, Industrial and Manufacturing Engineering, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Ballistic mixing, Ceramics and Composites, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Irradiation, Business and International Management, Fe-Cr alloys
Abstract: International audience; Cr-rich alpha prime precipitates (CrRP) induce hardening and embrittlement of FeCr alloys, but the ki- netics of CrRP formation due to particle irradiation are not well understood. In this study, Fe18wt.%Cr alloy in solid solution state and pre-aged to produce relatively coarse CrRP was irradiated with 8 MeV Fe ions. The irradiation conditions involved two midrange doses of 0.37 and 3.7 displacements per atom (dpa), a wide range of dose rates (10 −5 –10 −3 dpa/s) and temperatures (300–450 °C). The distributions of CrRP after irradiation were studied with atom probe tomography (APT). The critical irradiation conditions to suppress CrRP formation were identified as 300 °C and 10 −3 dpa/s; CrRP formation occurred readily at lower dose rates or higher temperatures. From 0.37 to 3.7 dpa, CrRP were observed to slightly grow at 350 °C and strongly coarsen at 450 °C. Specimens with pre-existing CrRP evolved into a similar pre- cipitate distribution as detected after ion irradiation on solution annealed specimens at 300–350 °C to 0.37 dpa, indicating that the precipitate microstructure approaches a quasi-equilibrium for doses < 1 dpa. Limited shrinking of pre-existing CrRP was observed after irradiation at 450 °C to 0.37 dpa, indicating a higher recovery rate at this temperature. The evolution of CrRP is quantitatively explained by employ- ing corrections to the historic Nelson-Hudson-Mazey precipitate stability model, and a radiation modified precipitation mechanism is proposed to account for the competition between radiation enhanced diffu- sion and ballistic dissolution which results in the modifications on both size and solute concentration of CrRP.
Published: 2021
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15. Modelling of delta ferrite to austenite phase transformation kinetics in martensitic steels: application to rapid cooling in additive manufacturing

Author: Yann de Carlan, Flore Villaret, Pascal Aubry, Damien Fabrègue, X. Boulnat, Julien Zollinger, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Matériaux, ingénierie et science [Villeurbanne] (MATEIS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), laboratoire d'ingénierie des surfaces et lasers (LISL), Service d'études analytiques et de réactivité des surfaces (SEARS), Département de Physico-Chimie (DPC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Physico-Chimie (DPC), Institut Jean Lamour (IJL), Université de Lorraine (UL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Materials science, 0211 other engineering and technologies, Scatter Diffraction (EBSD), Thermodynamics, 02 engineering and technology, Powder metallurgy, Phase (matter), Ferrite (iron), 0502 economics and business, General Materials Science, Martensite, 050207 economics, Diffusion (business), 021102 mining & metallurgy, Austenite, Quenching, 050208 finance, 05 social sciences, Metal additive manufacturing, Electron Back, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Phase transformation kinetics, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, Steel, 0210 nano-technology
Abstract: International audience; In this paper, the high temperature transformation kinetics of delta ferrite to austenite (δ → γ) phase transformation is modeled by thermodynamic and diffusion calculations. It appears that, in martensitic steels, the δ → γ transformation is very fast (a few nanoseconds) as soon as the first austenite nuclei appears. Classically the austenitic phase will thus systematically be observed in the material during conventional elaboration processes. However, in powder metallurgy and additive manufacturing, it is possible to obtain sufficiently high quenching rates (up to 106 °C/s) so that the γ phase does not have time to appear. The calculations presented here allow to rationalize the understanding of the microstructures of powders and different additive manufacturing materials. They enable to understand why ferrite or martensite is sometimes obtained in the final microstructure. From the calculations made, an original CCT (Continuous Cooling Transformations) diagram starting from the δ phase is proposed. It allows to set up a strategy of grade design or process definition according to the final microstructure targeted.
Published: 2021
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16. Impact of materials technology on the breeding blanket design Recent progress and case studies in materials technology

Author: Heiko Neuberger, Michael Rieth, Bradut-Eugen Ghidersa, Jörg Rey, E. Simondon, Michael Dürrschnabel, Giacomo Aiello, Simon Bonk, N. De Wispelaere, Christian Zeile, Y. de Carlan, J. Henry, Jan Hoffmann, Gerald Pintsuk, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, and European Project: 633053,H2020,EURATOM-Adhoc-2014-20,EUROfusion(2014)
Subjects: Heat-affected zone, Technology, Materials science, Nuclear engineering, chemistry.chemical_element, Mockup, Blanket, 7. Clean energy, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, Engineering, Operating temperature, 0103 physical sciences, General Materials Science, ddc:530, Blanket first wall, 010306 general physics, Embrittlement, Helium, Civil and Structural Engineering, High heat flux test, Structural material, Mechanical Engineering, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Materials technology, Nuclear Energy and Engineering, chemistry, Creep, Heat flux, Helium cooling loop, ddc:600
Abstract: A major part in the EUROfusion materials research program is dedicated to characterize and quantify nuclear fusion specific neutron damage in structural materials. While the majority of irradiation data gives a relatively clear view on the displacement damage, the effect of transmutation – i.e. especially hydrogen and helium production in steels – is not yet explored very well. However, few available results indicate that EUROFER-type steels will reach their operating limit as soon as the formation of helium bubbles reaches a critical amount or size. At that point, the material would fail due to embrittlement at the considered load. This paper presents a strategy for the mitigation of the before-mentioned problem using the following facts: • the neutron dose and related transmutation rate decreases quickly inside the first wall, that is, only a plasma-near area is extremely loaded • nanostructured oxide dispersion strengthened (ODS) steels may have an enormous trapping effect on helium and hydrogen, which would suppress the formation of large helium bubbles • compared to conventional steels, ODS steels show improved irradiation tensile ductility and creep strength In summary, producing the plasma facing, highly neutron and heat loaded part of blankets by an ODS steel, while using EUROFER97 for everything else, would allow a higher heat flux as well as a longer operating period. Consequently, we (1) developed and produced 14 % Cr ferritic ODS steel plates. (2) We fabricated a mockup with 5 cooling channels and a plated first wall of ODS steel, using the same production processes as for a real component. And finally, (3) we performed high heat flux tests in the HELOKA facility (Helium Loop Karlsruhe at KIT) applying short and up to 2 h long pulses, in which the operating temperature limit for EUROFER97 (i.e., 550 °C) was finally exceeded by 100 K. Thereafter, microstructure and defect analyses did not reveal defects or recognizable damage. Only a heat affected zone in the EUROFER/ODS steel interface could be detected. This demonstrates that the use of ODS steel could make a decisive difference in the future design and performance of breeding blankets.
Published: 2021
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17. Radiation-Induced Patterning at the Nanometric Scale: A Phase Field Approach

Author: David Simeone, Philippe Garcia, Laurence Luneville, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Institut de recherche sur les systèmes nucléaires pour la production d'énergie bas carbone (IRESNE), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Service d’Études des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA), and Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S)
Subjects: nano-structures, [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, radiation-induced patterning, General Materials Science, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, phase field approach
Abstract: The phase field approach was developed in the last 20 years to handle radiation damage in materials. This approach bridges the gap between atomistic simulations extensively used to model first step of radiation damage at short time and continuum approach at large time. The main advantage of such an approach lies in its ability to compute not only the microstructure at the nanometric scale but also to calculate generalized susceptibilities such as elastic constants under irradiation. After a brief description of the rate theory, used to model the microstructure induced by irradiation, we briefly discuss the foundation of the phase field method, highlighting not only its advantages, but also its limitations in comparison with the rate theory. We conclude this presentation by proposing future orientations for computing the microstructure in irradiated materials.
Published: 2022
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18. Insights from microstructure and mechanical property comparisons of three pilgered ferritic ODS tubes

Author: Caleb P. Massey, Philip D. Edmondson, Maxim N. Gussev, Keyou Mao, Tim Gräning, Thomas J. Nizolek, Stuart A. Maloy, Denis Sornin, Yann de Carlan, Sebastien N. Dryepondt, David T. Hoelzer, Oak Ridge National Laboratory [Oak Ridge] (ORNL), UT-Battelle, LLC, Los Alamos National Laboratory (LANL), Laboratoire des Technologies des Matériaux EXtrêmes (LTMEx), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, and Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M)
Subjects: Electron backscattered diffraction (EBSD), Pilgering, Advanced Reactor Cladding, Mechanics of Materials, Mechanical Engineering, [SPI.MECA.MEMA]Engineering Sciences [physics]/Mechanics [physics.med-ph]/Mechanics of materials [physics.class-ph], TA401-492, Oxide dispersion strengthened (ODS) alloys, General Materials Science, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Materials of engineering and construction. Mechanics of materials, Accident Tolerant Cladding, Atom probe tomography (APT)
Abstract: To develop advanced nuclear fuel claddings, two oxide dispersion strengthened (ODS) alloys were designed, manufactured, and evaluated. First, 12 %Cr alloy, is an ODS-version of ferritic steel, and second, 10 %Cr-6 %Al alloy, is a high-strength version of accident tolerant iron-chrome-aluminum alloy. Their properties and performance were compared with “classical” ODS material, 14 %Cr alloy 14WYT. Thin-walled (∼500 µm wall thickness) tubes were manufactured successfully using the pilgering technique. For all alloys, axial tensile specimens exhibited high tensile strength (>1 GPa) and reasonable plastic strains (10–17%). Ring tensile specimens, conversely, showed limited ductility (∼1%) with similar strengths to those measured in the axial orientation. The grain size, precipitate dispersion characteristics, and dislocation densities were then used to estimate yield strengths that were compared against room temperature axial and ring-pull tensile test data. The strengthening models showed mixed agreement with experimentally measured values due to the highly anisotropic microstructures of all three ODS tubes. These results illustrate the need for future model optimization to accommodate non-isotropic microstructures associated with components processed using rolling/pilgering approaches. In all cases, atom probe tomography and energy-filtered transmission electron microscopy demonstrated that ODS structure survived multiple pilgering operations, and precipitate microstructure evolution matched well the state-of-the-art nanoprecipitate coarsening models.
Published: 2022
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19. Influence of microstructural parameters on the mechanical properties of oxide dispersion strengthened Fe-14Cr steels

Author: F. De Geuser, Alexis Deschamps, M. Dadé, F. Barcelo, J. Malaplate, P. Wident, J. Garnier, Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de Probabilités et Modèles Aléatoires (LPMA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC), Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (SIMaP ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: 010302 applied physics, Materials science, Polymers and Plastics, Metallurgy, Metals and Alloys, Oxide, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, 01 natural sciences, Grain size, Electronic, Optical and Magnetic Materials, chemistry.chemical_compound, Precipitation hardening, chemistry, Creep, Hot isostatic pressing, 0103 physical sciences, Volume fraction, Ultimate tensile strength, Ceramics and Composites, 0210 nano-technology, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: The effect of microstructural parameters on the microstructure, tensile properties from room temperature to 800 °C and creep properties at 650 °C has been investigated in a 14%Cr oxide dispersion strengthened (ODS) steel. Combining a control of oxide addition, consolidation route and thermo-mechanical processing, the different parameters of the microstructure have been varied systematically, namely the size and volume fraction of oxide nano-precipitates, the grain size and the dislocation density. The volume fraction of nano-precipitates is shown to influence the tensile strength throughout the temperature range, whereas a change in precipitate size influences only the low temperature behavior. The effect of grain size is shown to be similar to that of precipitation strengthening. A recrystallized microstructure is shown to improve the ductility of the ODS steel while not degrading the strength or creep resistance. The material processed by hot extrusion presents improved strength and reduced creep rate as compared to that consolidated by hot isostatic pressing. This difference is attributed to the long-range internal stress resulting from the high dislocation density, stabilized by the oxide nano-precipitates. A strength model is presented, and validated on every material using the quantitative microstructural parameters obtained by combination of electron back-scattered diffraction, transmission electron microscopy and small-angle X-ray scattering.
Published: 2017
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20. Phase Separation in Fluorite-Related U 1– y Ce y O 2– x : A Re-Examination by X-ray and Neutron Diffraction

Author: Philippe Garcia, Florence Porcher, David Simeone, Jean-François Berar, Audrey Miard, Gianguido Baldinozzi, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CRG & Grands instruments (NEEL - CRG), Institut Néel (NEEL), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, and CRG et Grands Instruments (CRG )
Subjects: Spinodal decomposition, Neutron diffraction, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, Bixbyite, 01 natural sciences, Fluorite, 010305 fluids & plasmas, Inorganic Chemistry, Phase (matter), 0103 physical sciences, [CHIM.CRIS]Chemical Sciences/Cristallography, Physical and Theoretical Chemistry, [NLIN.NLIN-AO]Nonlinear Sciences [physics]/Adaptation and Self-Organizing Systems [nlin.AO], ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, X-ray, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, Cerium, Crystallography, chemistry, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [PHYS.COND.CM-SCE]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Strongly Correlated Electrons [cond-mat.str-el], 0210 nano-technology, [CHIM.RADIO]Chemical Sciences/Radiochemistry, Stoichiometry
Abstract: The phase separation observed at low temperature (below circa 600 K) in the U1-yCeyO2-x system and for values of y between roughly 0.34 and 0.5 purportedly involves fluorite structures only. However, for y values above 0.5, an oxygen-deficient C-type bixbyite is also reported. In this work, the phase separation in U0.54Ce0.46O2-x has been reexamined using X-ray and neutron diffraction. Below a critical temperature, the existence of two fluorite related structures in the miscibility gap is confirmed: a stoichiometric U0.54Ce0.46O2 phase and an oxygen-deficient U0.54Ce0.46O2-x phase. Although the former is indeed a fluorite, we show that the other end-member phase has a C-type bixbyite structure. This would suggest that the oxygen-deficient phase can be described as a bixbyite over the entire cerium composition range.
Published: 2019
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21. Corrigendum to 'Helium apparent diffusion coefficient and trapping mechanisms in implanted B4C boron carbide' [J. Nucl. Mater. 517 (2019) 165–174]

Author: Aurélien Jankowiak, Thierry Sauvage, Dominique Gosset, Nicolas Lochet, Hélène Lecoq, Vianney Motte, Nathalie Moncoffre, Nicolas Pradeilles, Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation (CEMHTI), Université d'Orléans (UO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IRCER - Axe 4 : céramiques sous contraintes environnementales (IRCER-AXE4), Institut de Recherche sur les CERamiques (IRCER), Institut des Procédés Appliqués aux Matériaux (IPAM), Université de Limoges (UNILIM)-Université de Limoges (UNILIM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut des Procédés Appliqués aux Matériaux (IPAM), Université de Limoges (UNILIM)-Université de Limoges (UNILIM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université d'Orléans (UO), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Université d'Orléans (UO)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Orléans (UO)
Subjects: Nuclear and High Energy Physics, Materials science, Analytical chemistry, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, Boron carbide, Trapping, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, chemistry.chemical_compound, Nuclear Energy and Engineering, chemistry, 0103 physical sciences, Effective diffusion coefficient, General Materials Science, 0210 nano-technology, Helium, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS
Abstract: International audience
Published: 2019
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22. Mechanical and microstructural analysis of an EM10 wrapper tube after neutron irradiation in Phénix

Author: Jean Henry, O. Tissot, B. Verhaeghe, P. Gavoille, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Service d'Etudes des Matériaux Irradiés (SEMI), and Laboratoire de Microscopie et d'Etudes de l'Endommagement (LM2E)
Subjects: Nuclear and High Energy Physics, Materials science, Mechanical tests, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, 0103 physical sciences, Ultimate tensile strength, General Materials Science, Irradiation, Composite material, Radiation resistance, Neutron irradiation, EM10, Hexagonal duct, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Atmospheric temperature range, Microstructural characterization, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, Neutron temperature, Nuclear Energy and Engineering, Martensite, Ferritic/Martensitic, Dislocation, 0210 nano-technology
Abstract: International audience; The 9Cr-1Mo tempered martensitic steel was irradiated with fast neutrons in the French Phénix reactor. Mechanical tests, density measurement as well as microstructural investigations were carried out following irradiation up to 155 dpa in the temperature range 386°C – 525°C. Tensile, elongation and impact properties were only slightly modified by irradiation. Microstructural investigations revealed the presence of cavities, however the resulting swelling was low (0.1%). In most cases, the dislocation microstructure was arranged in a network. Nevertheless, some large loops were observed after irradiation at 398°C to 112 dpa. Overall, the EM10 steel showed excellent radiation resistance, which confirmed that this steel is an attractive wrapper candidate material for future sodium-cooled GENIV fast reactors.
Published: 2021
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23. Influence of chemical composition on the microstructure and phase transformations of Fe-14Cr ferritic steels

Author: T. Guilbert, J. Malaplate, Caroline Toffolon-Masclet, M. Dadé, Jean-Christophe Brachet, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Subjects: 010302 applied physics, Materials science, Metallurgy, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, 01 natural sciences, Grain size, chemistry, Hot isostatic pressing, Chemical heterogeneities, Ferrite (iron), Martensite, 0103 physical sciences, Volume fraction, General Materials Science, 0210 nano-technology, Chemical composition, Partitioning, Titanium, ODS ferritic steel
Abstract: International audience; The effect of strengthened elements (Y2O3 and TiO2) on the microstructure has been investigated in Fe-14Cr-1W based ferritic steels. Titanium content and/or volume fraction of yttria range between ~ 0 up to 0.3 wt%.The volume fraction of nanoparticles is shown to control the grain size whereas titanium content has a significant influence on the chemical homogeneity. Martensite phase was obtained on a Fe-14Cr-1W based ferritic steel after consolidation by Hot Isostatic Pressing because of a higher content of carbon. A relationship between martensite phase and chemical heterogeneities was evidenced showing a chemical partitioning phenomenon. This phenomenon was also observed on ODS ferritic steels containing a low content of titanium (≤0.05 wt%) however microstructural parameters, such as size and volume fraction of nano-precipitates and grain size, are shown to delay the formation of martensite during cooling by decreasing the value of critical cooling rate.Thermodynamic calculations indicate that the minimal titanium content to get a microstructure with 100% of ferrite is about 0.09 wt%.
Published: 2019
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24. Combined effect of injected interstitials and He implantation, and cavities inside dislocation loops in high purity Fe-Cr alloys

Author: A. Barbu, Jean Henry, Frederic Leprêtre, Arunodaya Bhattacharya, B. Décamps, E. Meslin, CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Oak Ridge National Laboratory [Oak Ridge] (ORNL), UT-Battelle, LLC, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Lab JANNUS, European Project: 070551,WT::(2003), and CEA-Direction de l'Energie Nucléaire (CEA-DEN)
Subjects: Nuclear and High Energy Physics, Void (astronomy), Materials science, void swelling, Nucleation, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Molecular physics, Focused ion beam, 010305 fluids & plasmas, 0103 physical sciences, transmission electron microscopy (TEM), General Materials Science, Irradiation, [PHYS]Physics [physics], ion irradiation, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, Nuclear Energy and Engineering, Transmission electron microscopy, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Grain boundary, chromium, Dislocation, 0210 nano-technology, Fe-Cr alloys
Abstract: International audience; High purity Fe-Cr alloys with Cr content ranging from 3 to 14 wt% were irradiated by self-ions at 500 °C in dual-beam mode up to 157 displacements per atom (dpa), 17 appm He/dpa. Transmission electron microscopy (TEM) on focused ion beam foils revealed the depth distribution of irradiation induced cavities and dislocation loops. A detailed quantitative analysis of cavity microstructure was performed on Fe14%Cr, while Fe(3, 5, 10, 12)%Cr were analysed qualitatively. A homogeneous distribution of small cavities were observed up to the damage peak. From surface to the damage peak, cavity number density increased almost linearly. The cavity microstructure changed drastically at and after the damage peak, where the size increased and number density decreased. Most notably, the microstructure consisted of a striking mixture of heterogeneously nucleated cavities inside dislocation loops and freely nucleated cavities in the matrix. Further, the depth-dependent void swelling increased continuously along the damage depth. This contrasts with most ion irradiation results where suppression of void swelling occurs adjacent to the damage peak due the injected interstitial effect. We hypothesize a plausible mechanism of the observed swelling variation based on a combined effect of the injected interstitials and helium implantation near the damage peak by comparing the results with those in pure iron irradiated under same conditions. This synergistic effect may develop cavity microstructures which do not necessarily reflect microstructures expected due to injected interstitial effect and can be easily wrongly interpreted. The depth dependent dislocation loop microstructure was studied qualitatively in Fe14%Cr sample. Up to the damage peak, a complex dense network of dislocations formed due to the interaction/impingement of the dislocation loops. Individually resolvable loops were only observed after the damage peak, where their association with cavities was noted. Helium also induced heterogeneous cavity nucleation on dislocations constituting a grain boundary and on pre-existing dislocation lines.
Published: 2019
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25. Impact of nuclear transmutations on the primary damage production: The example of Ni based steels

Author: David Simeone, Jean Christphe Sublet, Laurence Luneville, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), UK Atomic Energy Authority (UKAEA), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Subjects: Nuclear reaction, [PHYS]Physics [physics], Nuclear and High Energy Physics, Isotope, Chemistry, Relaxation (NMR), 02 engineering and technology, Binary collision approximation, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, 7. Clean energy, 010305 fluids & plasmas, Nuclear physics, Nuclear Energy and Engineering, Cascade, Neutron flux, 0103 physical sciences, Atom, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], General Materials Science, Neutron, Physics::Atomic Physics, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], 0210 nano-technology, Nuclear Experiment
Abstract: The recent nuclear evaluations describe more accurately the elastic and inelastic neutron-atoms interactions and allow calculating more realistically primary damage induced by nuclear reactions. Even if these calculations do not take into account relaxation processes occurring at the end of the displacement cascade (calculations are performed within the Binary Collision Approximation), they can accurately describe primary and recoil spectra in different reactors opening the door for simulating aging of nuclear materials with Ion Beam facilities. Since neutrons are only sensitive to isotopes, these spectra must be calculated weighting isotope spectra by the isotopic composition of materials under investigation. To highlight such a point, primary damage are calculated in pure N i exhibiting a meta-stable isotope produced under neutron flux by inelastic neutron-isotope processes. These calculations clearly point out that the instantaneous primary damage production, the displacement per atom rate (dpa/s), responsible for the micro-structure evolution, strongly depends on the N 59 i isotopic fractions closely related to the inelastic neutron isotope processes. Since the isotopic composition of the meta-stable isotope vanishes for large fluences, the long term impact of this isotope does not largely modify drastically the total dpa number in N i based steels materials irradiate in nuclear plants.
Published: 2018
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26. Continuum approaches for modeling radiation-induced self-organization in materials: From the rate theory to the phase field approach

Author: J. Ribis, David Simeone, Laurence Luneville, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), and Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Self-organization, [PHYS]Physics [physics], Phase transition, Materials science, Thermodynamic equilibrium, Mechanical Engineering, Pattern formation, Metamaterial, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 01 natural sciences, Mean field theory, Mechanics of Materials, 0103 physical sciences, Dissipative system, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], General Materials Science, Statistical physics, [PHYS.COND]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat], 010306 general physics, 0210 nano-technology, Turing, computer, computer.programming_language
Abstract: International audience; Microstructural patterns resulting from self-organization are responsible for phase transitions and property changes in many materials maintained far from the thermodynamic equilibrium. Understanding the origin and the selection of possible spatiotemporal patterns for dissipative systems, i.e., systems for which the energy is not conserved, is a major theme of research opening doors to many technological applications ranging from plasmonics to metamaterials. Almost forty years after Turing’s seminal paper on patterning, progress on modeling instabilities leading to pattern formation has been achieved. The first part of this work demonstrates that main field approaches succeeded in capturing the underlying physics responsible for the formation of radiation-induced spatiotemporal patterns experimentally observed. The second part of the text highlights the interest of the phase field method, a self-consistent mean field approach, to discuss the evolution of these patterns in a universal picture neglecting specific aspects of radiation-induced dynamics.
Published: 2018
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27. Dramatic reduction of void swelling by helium in ion-irradiated high purity α-iron

Author: B. Décamps, E. Meslin, Jean Henry, A. Barbu, Arunodaya Bhattacharya, Centre de Sciences Nucléaires et de Sciences de la Matière (CSNSM), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)
Subjects: inorganic chemicals, Void (astronomy), Materials science, Hydrogen, genetic structures, Analytical chemistry, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Helium, Ion, swelling, iron, 0103 physical sciences, transmission electron microscopy (TEM), medicine, lcsh:TA401-492, General Materials Science, Irradiation, 010306 general physics, cavity nucleation, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, [PHYS]Physics [physics], respiratory system, 021001 nanoscience & nanotechnology, Crystallographic defect, Charged particle, respiratory tract diseases, chemistry, lcsh:Materials of engineering and construction. Mechanics of materials, Swelling, medicine.symptom, 0210 nano-technology, circulatory and respiratory physiology
Abstract: Effect of helium on void swelling was studied in high-purity α-iron, irradiated using energetic self-ions to 157 displacements per atom (dpa) at 773 K, with and without helium co-implantation up to 17 atomic parts-per-million (appm) He/dpa. Helium is known to enhance cavity formation in metals in irradiation environments, leading to early void swelling onset. In this study, microstructure characterization by transmission electron microscopy revealed compelling evidence of dramatic swelling reduction by helium co-implantation, achieved primarily by cavity size reduction. A comprehensive understanding of helium induced cavity microstructure development is discussed using sink strength ratios of dislocations and cavities. IMPACT STATEMENT Reduction of void swelling by helium co-implantation is reported, highlighting that it’s not always true that swelling will be higher in metals when helium is present along with irradiation damage.
Published: 2018
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28. Effect of composite electrode thickness on the electrochemical performances of all-solid-state li-ion batteries

Author: Agnieszka Kubanska, Laurent Castro, Renaud Bouchet, Mickaël Dollé, Laurence Tortet, Matériaux divisés, interfaces, réactivité, électrochimie (MADIREL), Aix Marseille Université (AMU)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Toyota Motor Europe (BELGIUM), Toyota Motor Europe, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (LEPMI ), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), and Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Aix Marseille Université (AMU)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Subjects: Materials science, Composite number, Spark plasma sintering, 02 engineering and technology, Electrolyte, Overpotential, 010402 general chemistry, 01 natural sciences, 7. Clean energy, Materials Chemistry, Ionic conductivity, [CHIM]Chemical Sciences, Ceramic, Electrical and Electronic Engineering, Composite material, Polarization (electrochemistry), ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, 0104 chemical sciences, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Mechanics of Materials, visual_art, Electrode, Ceramics and Composites, visual_art.visual_art_medium, 0210 nano-technology
Abstract: Several ceramic half-cells with differing electrode composite thicknesses but identical formulations were assembled using the spark plasma sintering (SPS) technique, in order to conduct comparable investigations of their kinetic limitations. The SPS technique was used to assemble the composite electrode and the electrolyte together within a few minutes. NASICON-type Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP) ceramic was used as solid electrolyte, as it offers high ionic conductivity (3 × 10−4 S.cm−1 at 25 °C) with a Li+ transport number of 1. LiFePO4 active material was used as a model material; it offers an average flat potential of 3.45 V vs Li+/Li and a reasonably high theoretical capacity of 170 mAh.g−1. Surface capacity values (from 0.8 to 3.5 mAh.cm−2), which are proportional to electrode thickness, remained quite close to the initial values after more than 20 cycles, even for a 325 μm thick electrode (3.5 mAh.cm−2). The overpotential in the flat plateau region was proportional to the current density used, which means that it was dependent only on the cell’s ohmic drop. Performances were not limited by the ion transport into the solid electrolyte and composite electrode volume - as in classical Li-ion batteries - since the transport number of LAGP is one. Therefore, very thick electrode-enabling batteries with high-surface capacity can be considered.
Published: 2017
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29. Microstructural characterizations of austenitic stainless steels representative of PWR internals irradiated with ions and comparison to cluster dynamic simulations

Author: Michaut, Bertrand, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Université Paris-Saclay, and Brigitte Décamps
Subjects: Pressurized Water Reactor, Réacteur à Eau Pressurisée, Gonflement, Irradiations aux ions, Microscopie Electronique en Transmission, Dynamique d'amas, Caractérisation microstructurale, Swelling, Microstructural characterization, Cluster dynamics, Transmission electron microscopy, Ion irradiations, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
Abstract: The French nuclear industry is looking into the extension of the operation time of pressurized water reactors (PWR) up to 60 years. This implies a good comprehension of the microstructural evolution under irradiation in Pressurized Water Reactors’ conditions.Two representatives stainless steels from PWR’s internals, 304 type steels, which differ in carbon content, has been irradiated form low to high doses (more than 100 dpa) at 450°C, irradiation at a second temperature (550°C) has also been performed at an intermediate dose. The choice of the temperature (450°C) was motivated by considering a temperature shift between neutron and ion irradiations due to their large difference in term of dose rate.The microstructural evolution has been characterized by transmitted electron microscopy on each conditions and by atom probe on highest irradiated samples. And modelling of the microstructure was performed using cluster dynamics code CRESCENDO.For both steels, at 450°C the dislocation network and Frank loops reach a saturation regime. As the cavity size and density are low the volume fraction is also low, even in the low carbon content steels, which is more favorable to swelling. The precipitation is mainly carbides. The effects of temperature, chemical composition and of ion irradiation were also investigated.Based on experimental results, a set of parameters which reproduces the evolution of the microstructure in respect to the dose and the depth of observation has been established. It has allowed to understand the effects of the irradiated surface, the injected interstitials and a possible evolution of the cascade efficiency along the damage profile.; Le contexte industriel actuel, animé d'un désir de prolonger la durée de fonctionnement des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) jusqu'à des durées de 60 ans, nécessite la compréhension de l'évolution de la microstructure et notamment d'un éventuel gonflement en conditions REP. Deux nuances de 304 (haut et bas carbone), représentatives des internes inférieurs de REP, ont été irradiées aux ions depuis les faibles doses jusqu'à des doses supérieures à la centaine de dpa, à 450°C (proche des conditions REP par la prise en compte d’un décalage flux/température), ainsi qu'à une dose intermédiaire à plus haute température 550°C. Sur la base des résultats expérimentaux des modélisations par dynamique d’amas avec le code CRESCENDO ont été réalisées afin d’étudier l’évolution de la microstructure.Les microstructures de boucles de Frank, du réseau de dislocations, des cavités et de la précipitation ont été caractérisées par Microscopie Électronique en Transmission (MET) à chacune des doses et par Sonde Atomique Tomographique (SAT) à 100 dpa. À 450°C, les conditions d’irradiations conduisent à une saturation du réseau de dislocations et des boucles de Frank, les cavités sont en faible densité induisant une fraction volumique faible (
Published: 2017

30. Caractérisation et modélisation de l'évolution de la microstructure et du gonflement d'aciers austénitiques représentatifs des internes inférieurs de Réacteur à Eau Pressurisée sous irradiations aux ions

Author: Michaut, Bertrand, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Université Paris-Saclay, and Brigitte Décamps
Subjects: Pressurized Water Reactor, Réacteur à Eau Pressurisée, Gonflement, Irradiations aux ions, Microscopie Electronique en Transmission, Dynamique d'amas, Caractérisation microstructurale, Swelling, Microstructural characterization, Cluster dynamics, Transmission electron microscopy, Ion irradiations, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
Abstract: The French nuclear industry is looking into the extension of the operation time of pressurized water reactors (PWR) up to 60 years. This implies a good comprehension of the microstructural evolution under irradiation in Pressurized Water Reactors’ conditions.Two representatives stainless steels from PWR’s internals, 304 type steels, which differ in carbon content, has been irradiated form low to high doses (more than 100 dpa) at 450°C, irradiation at a second temperature (550°C) has also been performed at an intermediate dose. The choice of the temperature (450°C) was motivated by considering a temperature shift between neutron and ion irradiations due to their large difference in term of dose rate.The microstructural evolution has been characterized by transmitted electron microscopy on each conditions and by atom probe on highest irradiated samples. And modelling of the microstructure was performed using cluster dynamics code CRESCENDO.For both steels, at 450°C the dislocation network and Frank loops reach a saturation regime. As the cavity size and density are low the volume fraction is also low, even in the low carbon content steels, which is more favorable to swelling. The precipitation is mainly carbides. The effects of temperature, chemical composition and of ion irradiation were also investigated.Based on experimental results, a set of parameters which reproduces the evolution of the microstructure in respect to the dose and the depth of observation has been established. It has allowed to understand the effects of the irradiated surface, the injected interstitials and a possible evolution of the cascade efficiency along the damage profile.; Le contexte industriel actuel, animé d'un désir de prolonger la durée de fonctionnement des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) jusqu'à des durées de 60 ans, nécessite la compréhension de l'évolution de la microstructure et notamment d'un éventuel gonflement en conditions REP. Deux nuances de 304 (haut et bas carbone), représentatives des internes inférieurs de REP, ont été irradiées aux ions depuis les faibles doses jusqu'à des doses supérieures à la centaine de dpa, à 450°C (proche des conditions REP par la prise en compte d’un décalage flux/température), ainsi qu'à une dose intermédiaire à plus haute température 550°C. Sur la base des résultats expérimentaux des modélisations par dynamique d’amas avec le code CRESCENDO ont été réalisées afin d’étudier l’évolution de la microstructure.Les microstructures de boucles de Frank, du réseau de dislocations, des cavités et de la précipitation ont été caractérisées par Microscopie Électronique en Transmission (MET) à chacune des doses et par Sonde Atomique Tomographique (SAT) à 100 dpa. À 450°C, les conditions d’irradiations conduisent à une saturation du réseau de dislocations et des boucles de Frank, les cavités sont en faible densité induisant une fraction volumique faible (
Published: 2017

31. FTIR study of silicon carbide amorphization by heavy ion irradiations

Author: Jean-Marc Costantini, Olivier Pluchery, Sandrine Miro, Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Physico-chimie et dynamique des surfaces (INSP-E6), Institut des Nanosciences de Paris (INSP), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Materials science, Acoustics and Ultrasonics, Absorption spectroscopy, Analytical chemistry, 02 engineering and technology, Substrate (electronics), Epitaxy, 01 natural sciences, symbols.namesake, chemistry.chemical_compound, 0103 physical sciences, Silicon carbide, Irradiation, ComputingMilieux_MISCELLANEOUS, 010302 applied physics, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, Rutherford backscattering spectrometry, Surfaces, Coatings and Films, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Silicon nitride, chemistry, symbols, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], 0210 nano-technology, Raman spectroscopy
Abstract: We have measured at room temperature (RT) the Fourier-transform infra-red (FTIR) absorption spectra of ion-irradiated thin epitaxial films of cubic silicon carbide (3C–SiC) with 1.1 µm thickness on a 500 µm thick (1 0 0) silicon wafer substrate. Irradiations were carried out at RT with 2.3 MeV 28Si+ ions and 3.0 MeV 84Kr+ ions for various fluences in order to induce amorphization of the SiC film. Ion projected ranges were adjusted to be slightly larger than the film thickness so that the whole SiC layers were homogeneously damaged. FTIR spectra of virgin and irradiated samples were recorded for various incidence angles from normal incidence to Brewster's angle. We show that the amorphization process in ion-irradiated 3C–SiC films can be monitored non-destructively by FTIR absorption spectroscopy without any major interference of the substrate. The compared evolutions of TO and LO peaks upon ion irradiation yield valuable information on the damage process. Complementary test experiments were also performed on virgin silicon nitride (Si3N4) self-standing films for similar conditions. Asymmetrical shapes were found for TO peaks of SiC, whereas Gaussian profiles are found for LO peaks. Skewed Gaussian profiles, with a standard deviation depending on wave number, were used to fit asymmetrical peaks for both materials. A new methodology for following the amorphization process is proposed on the basis of the evolution of fitted IR absorption peak parameters with ion fluence. Results are discussed with respect to Rutherford backscattering spectrometry channeling and Raman spectroscopy analysis.
Published: 2017
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32. Microscopic work function anisotropy and surface chemistry of 316L stainless steel using photoelectron emission microscopy

Author: F. Barcelo, Nicholas Barrett, O. Renault, F. Miserque, Mi Wang, P. Bonnaillie, H. Lemaître, C. Corbel, Laboratoire d'Etude des NanoStructures et Imagerie de Surface (LENSIS), Service de physique de l'état condensé (SPEC - UMR3680), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information (CEA-LETI), Direction de Recherche Technologique (CEA) (DRT (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Department of Physics and Astronomy [Aarhus], Aarhus University [Aarhus], Université de Cergy Pontoise (UCP), Université Paris-Seine, Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Laboratoire d'Etude de la Corrosion Aqueuse (LECA), Service de la Corrosion et du Comportement des Matériaux dans leur Environnement (SCCME), Département de Physico-Chimie (DPC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Physico-Chimie (DPC), Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X), The work was supported by the CEA RACOC-2 programme. Part of the research was performed on the NanocharacterizationPlatform of MINATEC, CEA-Grenoble., and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, EBSD, Analytical chemistry, Oxide, 02 engineering and technology, Electron, Work function, 01 natural sciences, chemistry.chemical_compound, 0103 physical sciences, Surface layer, Physical and Theoretical Chemistry, Anisotropy, Spectroscopy, [PHYS]Physics [physics], 010302 applied physics, Radiation, Chemistry, X-ray photoelectron emission microscopy, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, Atomic and Molecular Physics, and Optics, Electronic, Optical and Magnetic Materials, Crystallography, Austenitic steel, 0210 nano-technology, Electron backscatter diffraction
Abstract: We have studied the variation in the work function of the surface of sputtered cleaned 316L stainless steel with only a very thin residual oxide surface layer as a function of grain orientation using X-ray photoelectron emission microscopy (XPEEM) and Electron Backscattering Diffraction. The grains are mainly oriented [1 1 1] and [1 0 1]. Four distinct work function values spanning a 150 meV energy window are measured. Grains oriented [1 1 1] have a higher work function than those oriented [1 0 1]. From core level XPEEM we deduce that all grain surfaces are Cr enriched and Ni depleted whereas the Cr/Fe ratio is similar for all grains. The [1 1 1] oriented grains show evidence for a Cr2O3 surface oxide and a higher concentration of defective oxygen sites.
Published: 2014
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33. Density Functional Theory Calculations of UO2 Oxidation: Evolution of UO2+x, U4O9–y, U3O7, and U3O8

Author: Dylan R. Conradson, David A. Andersson, Steven D. Conradson, Gianguido Baldinozzi, Lionel Desgranges, Los Alamos National Laboratory (LANL), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles (LM2C), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)
Subjects: Chemistry, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, Fluorite, Ion, Inorganic Chemistry, Oxygen atom, Computational chemistry, Chemical physics, 0103 physical sciences, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Density functional theory, Physical and Theoretical Chemistry, 010306 general physics, 0210 nano-technology, Line (formation)
Abstract: Formation of hyperstoichiometric uranium dioxide, UO2+x, derived from the fluorite structure was investigated by means of density functional theory (DFT) calculations. Oxidation was modeled by adding oxygen atoms to UO2 fluorite supercells. For each compound ab initio molecular dynamics simulations were performed to allow the ions to optimize their local geometry. A similar approach was used for studying the reduction of U3O8. In agreement with the experimental phase diagram we identify stable line compounds at the U4O9-y and U3O7 stoichiometries. Although the transition from fluorite to the layered U3O8 structure occurs at U3O7 (UO2.333) or U3O7.333 (UO2.444), our calculated low temperature phase diagram indicates that the fluorite derived compounds are favored up to UO2.5, that is, as long as the charge-compensation for adding oxygen atoms occurs via formation of U(5+) ions, after which the U3O8-y phase becomes more stable. The most stable fluorite UO2+x phases at low temperature (0 K) are based on ordering of split quad-interstitial oxygen clusters. Most existing crystallographic models of U4O9 and U3O7, however, apply the cuboctahedral cluster. To better understand these discrepancies, the new structural models are analyzed in terms of existing neutron diffraction data. DFT calculations were also performed on the experimental cuboctahedral based U4O9-y structure, which enable comparisons between the properties of this phase with the quad-interstitial ones in detail.
Published: 2013
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34. Mesoporous thin film WO 3 photoanode for photoelectrochemical water splitting: a sol–gel dip coating approach

Author: Dennis Friedrich, Guido Baldinozzi, Christel Laberty-Robert, Henri Strub, Stéphane Kressman, Vincent Artero, Samantha Hilliard, Matériaux Hybrides et Nanomatériaux (MHN), Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Collège de France (CdF (institution))-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux (LCBM - UMR 5249), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble (IRIG), Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Direction de Recherche Fondamentale (CEA) (DRF (CEA)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Total Energies Nouvelles, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (Helmholtz-Zentrum Berlin), and Helmholtz-Zentrum Berlin
Subjects: Photocurrent, Materials science, Renewable Energy, Sustainability and the Environment, Inorganic chemistry, Oxide, Energy Engineering and Power Technology, 02 engineering and technology, Photoelectrochemical cell, 010402 general chemistry, 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, Tungsten trioxide, Dip-coating, 0104 chemical sciences, chemistry.chemical_compound, Fuel Technology, chemistry, Water splitting, [CHIM]Chemical Sciences, Thin film, 0210 nano-technology, Mesoporous material
Abstract: International audience; A facile and cost-efficient method to fabricate a mesoporous structured WO3 photoanode was implemented for use in a tandem dual water splitting photoelectrochemical cell. Semi-transparent thin films of tungsten trioxide were fabricated by sol-gel process, incorporating a block co-polymer to induce a template-directed mesoporous structure. These thin films are deposited by dip coating onto transparent conducting oxide substrates and crystallized at a low temperature of 400°C in air. These thin film photoanodes exhibit a photocurrent of up to 0.6 mA/cm² in potassium phosphate buffers of pH 2, 4, and 6 at 1.23 V vs. RHE under 300 mW/cm² visible (400 – 900 nm) light irradiation with a faradic efficiency of up to 75%. Furthermore, we have demonstrated that corrosion occurs in electrolytes of pH > 4. The faradic efficiencies in varying pH solutions however suggest that parasitic redox reactions occurs in acidic conditions, limiting the O2 production and demonstrating the need for stable surface co-catalysts to increase faradic efficiencies. In neutral conditions, protective layers and/or co-catalysts are needed for increasing WO3 photoanode stability.
Published: 2017
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35. Nanostructuration of Cr/Si layers induced by ion beam mixing

Author: Gianguido Baldinozzi, Laurence Luneville, Cyrile Deranlot, Ludovic Largeau, Frédéric Ott, Nathalie Moncoffre, David Simeone, Yves Serruys, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy CNRS/THALES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-THALES, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), RTRA Triangle de la physique, 2011-074T, INSTRUMAT, THALES [France]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Materials science, Ion beam analysis, Ion beam mixing, business.industry, Analytical chemistry, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Microstructure, 01 natural sciences, Focused ion beam, X-ray reflectivity, 0103 physical sciences, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Microelectronics, Irradiation, 010306 general physics, 0210 nano-technology, Reflectometry, business
Abstract: This work clearly demonstrates that the X Ray Reflectometry technique (XRR), extensively used to assess the quality of microelectronic devices can be a useful tool to study the first stages of ion beam mixing. This technique allows measuring the evolution of the Si concentration profile in irradiated Cr/Si layers. From the analysis of the XRR profiles, it clearly appears that the Si profile cannot be described by a simple error function.
Published: 2013
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36. An attempt to handle the nanopatterning of materials created under ion beam mixing

Author: David Simeone, Gilles Demange, Yanwen Zhang, Dominique Gosset, Laurence Luneville, Gianguido Baldinozzi, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Materials Science and Engineering (UT Knoxville), The University of Tennessee [Knoxville], Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), RTRA Triangle de la physique, 2011-074T, INSTRUMAT, Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Materials Science and Technology Division [Oak Ridge], Oak Ridge National Laboratory [Oak Ridge] (ORNL), UT-Battelle, LLC-UT-Battelle, LLC, and Service d’Études des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA)
Subjects: [PHYS]Physics [physics], Materials science, Ion beam analysis, Condensed matter physics, Ion beam mixing, Microstructure, 01 natural sciences, 010305 fluids & plasmas, Mean field theory, 0103 physical sciences, X-ray crystallography, Nano, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Diffusion (business), 010306 general physics, Structure factor
Abstract: In the past fifty years, experimental works based on TEM or grazing incidence X ray diffraction have clearly shown that alloys and ceramics exhibit a nano pattering under irradiation [1,2,3]. Many works were devoted to study the nano patterning induced by ion beam mixing in solids [17,18,19]. Understanding the nano patterning will provide scientific bases to tailor materials with well-defined microstructures at the nanometric scale. The slowing down of impinging particles in solids leads to a complex distribution of subcascades. Each subcascade will give rise to an athermal diffusion of atoms in the medium. In this work, we focused on this point. Based on the well-known Cahn Hilliard Cook (CHC) equation, we analytically calculate the structure factor describing the nano patterning within the mean field approximation. It has shown that this analytical structure factor mimics the structure factor extracted from direct numerical simulations of the time dependent CHC equation. It appears that this structure factor exhibits a universal feature under irradiation.
Published: 2013
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37. Molecular dynamics simulations of high energy cascade in ordered alloys: Defect production and subcascade division

Author: Luneville, LAURENCE, Crocombette, Jean-Paul, Van Brutzel, Laurent, Simeone, David, Lunéville, Laurence, Laboratoire de Logiciels pour la Physique des Réacteurs (LLPR), Service des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA), Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Service de la Corrosion et du Comportement des Matériaux dans leur Environnement (SCCME), Département de Physico-Chimie (DPC), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Service d’Études des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA)
Subjects: Nuclear and High Energy Physics, High energy, Chemistry, Linearity, 02 engineering and technology, Function (mathematics), Division (mathematics), [PHYS.NEXP]Physics [physics]/Nuclear Experiment [nucl-ex], 021001 nanoscience & nanotechnology, 01 natural sciences, Linear variation, Molecular dynamics, Nuclear Energy and Engineering, Cascade, 0103 physical sciences, General Materials Science, Atomic physics, 010306 general physics, 0210 nano-technology
Abstract: International audience; Displacement cascades have been calculated in two ordered alloys (Ni 3 Al and UO 2) in the molecular dynamics framework using the CMDC (Cell Molecular Dynamics for Cascade) code (J.-P. Crocombette and T. Jourdan, Nucl. Instrum. Meth. B 352, 9 (2015)) for energies ranking between 0.1 and 580 keV. The defect production has been compared to the prediction of the NRT (Norgett, Robinson and Torrens) standard. One observes a decrease with energy of the number of defects compared to the NRT prediction at intermediate energies but, unlike what is commonly observed in elemental solids, the number of produced defects does not always turn to a linear variation with ballistic energy at high energies. The fragmentation of the cascade into subcascades has been studied through the analysis of surviving defect pockets. It appears that the common knowledge equivalence of linearity of defect production and sub-cascades division does not hold in general for alloys. We calculate the average number of subcascades and average number of defects per subcascades as a function of ballistic energy. We find an unexpected variety of behaviors for these two average quantities above the threshold for subcascade formation.
Published: 2016
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38. Structural irradiation damage and recovery in nanometric silicon carbide

Author: A. Audren, Nathalie Herlin-Boime, Yann Leconte, Lionel Thomé, D. Gosset, I. Monnet, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire Francis PERRIN (LFP - URA 2453), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CSNSM PCI, Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), and Normandie Université (NU)
Subjects: SiC, Nanostructure, Materials science, Annealing (metallurgy), Nucleation, Energy Engineering and Power Technology, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Nanoceramic, Nuclear materials, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials, chemistry.chemical_compound, 0103 physical sciences, Silicon carbide, Ceramic, Irradiation, Composite material, Safety, Risk, Reliability and Quality, Waste Management and Disposal, 010302 applied physics, 021001 nanoscience & nanotechnology, Grain size, Amorphisation, Nuclear Energy and Engineering, chemistry, Ion irradiation, 13. Climate action, visual_art, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], visual_art.visual_art_medium, Crystallite, 0210 nano-technology
Abstract: Silicon carbide is one of the candidate materials for core components of some nuclear reactor projects (Gen-IV). In order to improve their thermo-mechanical properties, materials with nanometric grain size are considered. For such materials, nearly no data concerning their behaviour under irradiation are available. In this paper, we study the damage and subsequent recovery of a nanostructured 3C–SiC ceramic. Samples were irradiated at room temperature with 4 MeV Au ions and subsequently annealed. Their structural modifications are analysed with a grazing incidence X-ray diffraction method. Results show that these nanoceramic materials present the same damage kinetics during irradiation as conventional micrometric grained SiC, with total amorphisation at the highest fluence. However, while the recrystallisation of a conventional ceramic is expected to occur through an epitaxial recrystallisation from the non-damaged parts of the large grains, the nanometric material is healed only after annealing at 1000 °C through mechanisms that can be attributed to a heterogeneous nucleation and growth of β crystallites in the totally amorphised grains.
Published: 2012
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39. Is UO2 irradiation resistance due to its unusual high temperature behaviour?

Author: C. Petot, Pascal Ruello, Lionel Desgranges, Gianguido Baldinozzi, Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles (LM2C), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de physique de l'état condensé (LPEC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Le Mans Université (UM), and Le Mans Université (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: 010302 applied physics, Nuclear and High Energy Physics, Chemistry, Uranium dioxide, Ionic bonding, Thermodynamics, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Polaron, 7. Clean energy, 01 natural sciences, Heat capacity, chemistry.chemical_compound, Nuclear Energy and Engineering, Electrical resistivity and conductivity, visual_art, 0103 physical sciences, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], visual_art.visual_art_medium, General Materials Science, Ceramic, Irradiation, 0210 nano-technology, Radiation resistance, Nuclear chemistry
Abstract: International audience; Explaining and predicting the radiation resistance of structural and functional materials is a primary goal for engineering materials able to withstand severe radiation environments. Szenes has developed an empirical criterion based on the thermal behaviour of a compound at high temperature. Though the specific heat at high temperature of most materials obeys the classic Dulong–Petit law, this is not true for uranium dioxide, perhaps the most important ceramic compound in a nuclear power plant. An original analysis of the different contributions to the heat capacity of UO2 is presented showing that the large increase of UO2 heat capacity at high temperature (T > 1300 K) is microscopically connected to a high concentration of polarons that are responsible for the departure from the Dulong–Petit law. This is in particular related to the contribution of the uranium sublattice. At the microscopic scale, this thermodynamic anomaly can be related to the thermally activated charge disproportionation of U atoms that is experimentally observed by electrical conductivity measurements. This singular behaviour of the polaron concentration has a direct impact on the uranium sublattice partial molar heat capacity and an indirect effect on the energy interactions between the electronic and ionic structure of the target mediated by these polarons. This could explain, at least partially, the irradiation resistance to amorphisation of UO2.
Published: 2012
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40. Oxygen Diffusion and Electrical Conductivity Measurements in Uranium Dioxide

Author: G. Carlot, Mathieu Fraczkiewicz, Philippe Garcia, Gianguido Baldinozzi, C. Davoisne, C. Petot, B. Pasquet, David Simeone, Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Subjects: Radiation, Chemistry, 020502 materials, Uranium dioxide, Analytical chemistry, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Condensed Matter Physics, Oxygen, chemistry.chemical_compound, 0205 materials engineering, Electrical resistivity and conductivity, TRACER, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Oxygen diffusion, General Materials Science, Diffusion (business), 0210 nano-technology, Single crystal
Abstract: International audience; In this paper, we describe two experimental set-ups which enable the measurement of electrical properties and intrinsic diffusion coefficients in UO 2. Electrical conductivity measurements are insured by a standard four point Kelvin-Bridge method. In parallel, the gas-solid isotopic exchange method is used to load the samples with 18O tracer atoms, the concentration profile of which are subsequently characterized using SIMS and chromatic confocal microscopy. An application of both types of measurements on a UO 2 single crystal is given. The diffusion study was carried out at 750degC, and the electrical conductivity study was performed between 1000degC and 1300degC at oxygen potentials at which the material exhibits extrinsic behaviour. We show how a careful use of both measurements in conjunction can be an indication of the operative migration mechanism.
Published: 2010
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41. Effects of electronic and nuclear interactions in SiC

Author: Isabelle Monnet, Abdenacer Benyagoub, Y. Leconte, Xavier Portier, Lionel Thomé, F. Garrido, Cécile Reynaud, A. Audren, Nathalie Herlin-Boime, D. Gosset, M. Levalois, Service des Photons, Atomes et Molécules (SPAM), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Centre de recherche sur les Ions, les MAtériaux et la Photonique (CIMAP - UMR 6252), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse (CSNSM), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11), Laboratoire Francis PERRIN (LFP - URA 2453), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CSNSM PCI, and Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: PACS: 61.82.Rx, SiC, Diffraction, Nuclear and High Energy Physics, Grazing incidence X-ray diffraction, Materials science, Nanostructure, nanostructure, 02 engineering and technology, 01 natural sciences, Ion, Condensed Matter::Materials Science, 0103 physical sciences, Atom, Irradiation, grazing incidence X ray diffraction, Instrumentation, [PHYS]Physics [physics], 010302 applied physics, Radiation material science, irradiation, Rutherford Backscattering Spectrometry, single crystalline, 021001 nanoscience & nanotechnology, Rutherford backscattering spectrometry, Ion implantation, Chemical physics, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Atomic physics, 0210 nano-technology
Abstract: International audience; In this study, we performed irradiation experiments on nanostructured 3C–SiC samples, with 95 MeV Xe ions at room temperature. This energy permits the observation of the combined electronic and nuclear interactions with matter. The grazing incidence X-ray diffraction results do not reveal a complete amorphization, despite value of displacement per atom overcoming the total amorphization threshold. This may be attributed to competing effects between nuclear and electronic energy loss in this material since a total amorphization induced by nuclear interactions was found after low energy ion irradiation (4 MeV Au). Moreover, electronic interactions created by high energy ion irradiations induce no disorder in single crystalline 6H–SiC. But in samples previously disordered by low energy ion implantation (700 keV I), the electronic interactions generate a strong defects recovery.
Published: 2009
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42. Plasticity of nano-reinforced alloys for the claddings fuels of the fourth generation reactors : experimental and modeling approches of the effect of microstructural parameters for the models alloys behavior

Author: Dade, Mickaël, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Université Grenoble Alpes, Alexis Deschamps, Joël Malaplate, Jérôme Garnier, and STAR, ABES
Subjects: Modèle de durcissement, Plasticity, Plasticité, Hardening model, [SPI.MAT] Engineering Sciences [physics]/Materials, ODS steel, Acier ODS, Microstructure, [SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials
Abstract: Oxide dispersion strengthened (ODS) ferritic steels are known for their good resistance both to high temperature creep and to swelling under irradiation. They are considered as potential materials for fuel cladding for the next generation of nuclear reactors (Sodium-cooled Fast Reactor). These materials, usually processed by hot extrusion, exhibit a complex microstructure (crystallographic and grain texture, nanometer precipitation, high dislocation density, poly-dispersed grain size), making it a real challenge to establish the microstructure / properties relationships. This thesis has aimed at characterizing and modeling the effect of the different components of the microstructure on the mechanical properties of ferritic Fe-14Cr ODS steels, as well as to improve the understanding of their deformation mechanisms. For this purpose, model materials have been elaborated by hot isostatic pressing and characterized, where the different microstructural parameters have been varied in a controlled manner. Their microstructure have been determined using a set of advanced characterization techniques (SEM-EBSD, TEM, SAXS, EPMA, …). These different materials have been tensile tested over a wide temperature range and creep tested at 650 and 700°C. The results have evidenced the effect of the size and fraction of oxide particles, of the grain size and of the presence of Ti, and have made it possible to model the mechanical behavior. In-situ tensile tests in the SEM, as well as strain field measurements during high temperature testing, have evidenced a transition between a jerky movement of dislocations at low temperature and the high temperature mechanisms, whether intra-granular (dynamic strain ageing, continuous dislocation movement) or inter-granular. At high temperature, severe damage is observed at the grain boundaries., Les aciers renforcés par une dispersion d’oxydes nanométriques (ODS : Oxide Dispersion Strengthened) sont connus pour leur bonne tenue en fluage à haute température et pour leur bonne résistance au gonflement sous irradiation. Ils sont envisagés comme matériaux potentiels pour le gainage combustible des réacteurs de quatrième génération (Réacteur à Neutrons Rapides refroidis au Sodium). Les aciers ferritiques ODS, généralement élaborés par filage à chaud, possèdent une microstructure complexe (texture morphologique et cristallographique, fine précipitation, forte densité de dislocations, différentes tailles de grains) rendant la compréhension de la relation entre la microstructure et les propriétés mécaniques délicate. Le travail de cette thèse a consisté à caractériser et à modéliser l’effet des différents composants de la microstructure sur le comportement mécanique d’aciers ferritiques Fe-14Cr ODS, ainsi que d’affiner la compréhension de leurs mécanismes de déformation. Pour cela, des matériaux modèles ont été élaborés par compaction isostatique à chaud puis caractérisés, dans lesquels les différents paramètres microstructuraux ont été variés de manière contrôlée. Leur microstructure a été déterminée à l’aide de diverses techniques de caractérisation avancées (MEB-EBSD, MET, DXPA, microsonde de Castaing, …). Ces différentes nuances ont été testées en traction sur une large gamme de température et en fluage à 650°C et 700°C. Les résultats ont mis en évidence l’effet de la taille et la fraction des oxydes, de la structure de grains, et de la présence du Titane, et ont servi de base pour proposer une modélisation. Des essais de déformation in situ au MET ainsi que des essais de traction à chaud avec mesure des champs de déformation locaux ont permis de mettre en évidence une transition entre mouvement saccadé de dislocations à basse température, et mécanismes de déformation à chaud, intragranulaires (vieillissement dynamique, mouvement de dislocations continu) et intergranulaires. A haute température, un fort endommagement au niveau des joints de grains est observé.
Published: 2015

43. Implementation of heavy-ion elastic recoil detection analysis at JANNUS-Saclay for quantitative helium depth profiling

Author: F. Leprêtre, S. Vaubaillon, L. Beck, T. Loussouarn, Yves Serruys, Daniel Brimbal, H. Lefaix-Jeuland, P. Trocellier, E. Bordas, CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire d'ingénierie osteo-articulaire et dentaire (LIOAD), Université de Nantes (UN)-IFR26-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Service de recherches de métallurgie physique (SRMP), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Génétique des maladies multifactorielles (GMM), Université de Lille, Droit et Santé-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), and Centre d'Etude de Saclay
Subjects: Detection limit, Nuclear and High Energy Physics, ERDA, Materials science, Ion beam, [PHYS.NUCL]Physics [physics]/Nuclear Theory [nucl-th], Iron, chemistry.chemical_element, [PHYS.NEXP]Physics [physics]/Nuclear Experiment [nucl-ex], Helium, Ion, Elastic recoil detection, Diffusion, chemistry, Heavy ion, Irradiation, Atomic physics, Instrumentation, RBS
Abstract: International audience; Quantitative depth profiling measurements of implanted light elements is an important issue for electronics and nuclear applications. Conventional elastic recoil detection analysis (ERDA) has been improved by using heavy ions as incident particles for quantitatively profiling helium in materials.A new system has been implemented on the triple beam irradiation platform JANNUS at Saclay devoted to carry out HI-ERDA measurements. This device is dedicated to helium depth profiling using a 15 MeV 16O5+ incident ion beam. Capabilities of the technique (quantitative analysis, resolution and limit of detection) were tested on samples of known composition.For the first time, 4He depth profiles in pure α-iron, as-implanted and annealed, are obtained. HI-ERDA measurements have shown that helium release in pure α-iron can be described by a succession of two steps, the first having a slow kinetics below 700C and the second with a fast kinetics above 700C.
Published: 2015
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44. A new tool to compare neutron and ion irradiation in materials

Author: Dominique Gosset, D. Simeone, Laurence Luneville, CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), SERMA/LEPP, CEA- Saclay (CEA), Université Paris-Saclay, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), and Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay
Subjects: [PHYS]Physics [physics], Nuclear and High Energy Physics, Radiation material science, Chemistry, Radiation, Binary collision approximation, Ion, Recoil, Neutron, Nuclear cross section, Spallation, Atomic physics, Nuclear Experiment, Instrumentation
Abstract: The slowing down of neutrons produced in nuclear plants or in spallation sources generates many defects in a material, driving this material far from its equilibrium state. This concentration of defects leads to important structural modifications of solids. To model the impact of radiation in solids, particle accelerators are useful tools. The nature and the energy of ions in accelerators must be chosen to produce similar effects to those occurring in nuclear plants. A new program, DART, based on the binary collision approximation, has been developed to optimize the choice of incident particles. In this program, the anisotropy of the neutron atom interaction is treated with a new formalism. Such a formalism allows us to compute accurate displacement cross sections and recoil spectra for all kinds of particles (ions, neutrons, or electrons). The comparison of these displacement cross sections as well as recoil spectra due to ions, electrons and neutrons permits to define the nature and the energy of ions able to simulate damages in reactors.
Published: 2006
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45. Structural and microstructural analyses using Neutron and X-ray scattering. Application of the Rietveld method to the study of nuclear fuels

Author: Baldinozzi, Gianguido, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, and Baldinozzi, Gianguido
Subjects: [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.THEO] Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]
Abstract: International audience; In this crash course, basic concepts of diffraction are reviewed and applied to the modelling of the structures and microstructures of uranium oxides.
Published: 2015

46. Interdiffusion processes at irradiated Cr/Si interfaces

Author: Gianguido Baldinozzi, D. Simeone, Frédéric Ott, Cyrile Deranlot, Laurence Luneville, J. Ribis, Nathalie Moncoffre, Ludovic Largeau, Laboratoire de Logiciels pour la Physique des Réacteurs (LLPR), Service des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA), Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de photonique et de nanostructures (LPN), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Unité mixte de physique CNRS/Thales (UMPhy CNRS/THALES), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-THALES, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Laboratoire Léon Brillouin (LLB - UMR 12), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3), Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service d’Études des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA), THALES [France]-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules du CNRS (IN2P3)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), LPN-CNRS, Route de Nozay, 91460 Marcoussis, France, and THALES-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Subjects: Materials science, Ion beam mixing, Silicon, Mechanical Engineering, Metals and Alloys, Analytical chemistry, chemistry.chemical_element, 02 engineering and technology, 021001 nanoscience & nanotechnology, Thermal diffusivity, 01 natural sciences, Ion, chemistry, Mechanics of Materials, Transmission electron microscopy, 0103 physical sciences, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Materials Chemistry, Wafer, [PHYS.PHYS.PHYS-CHEM-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Chemical Physics [physics.chem-ph], Thin film, 010306 general physics, 0210 nano-technology, Reflectometry
Abstract: International audience; Chromium silicon CrSi alloys are foreseen as possible materials for spintronic devices. Ion beam mixing could be an efficient technique to produce thin films of such alloys at room temperature while avoiding thermal diffusion. In order to assess this point, we have irradiated 20 nm Cr layer on a (1 0 0) Si wafer with 70 keV Kr ions. The X-ray reflectometry technique combined with Transmission Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray analysis was applied to analyze, at the nanometric scale, the formation of Cr/Si blurred interfaces induced by ion beam mixing. From the analysis of reflectivity curves, it appears that nanometric Cr 5 Si 3 and CrSi 2 phases are produced at the early stage of the process. The existence of these two paramagnetic phases gives some clues to explain the reason why the experimentally observed fer-rimagnetism was weaker than predicted.
Published: 2015
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47. Crystallographic evidence of polarons in uranium dioxide

Author: Brindelle, Guillaume, Baldinozzi, Gianguido, Desgranges, Lionel, Baldinozzi, Gianguido, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles (LM2C), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, and European Materials Research Society
Subjects: [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, Physics::Popular Physics, [CHIM.THEO] Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, Polarons, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Uranium Oxides, Condensed Matter::Strongly Correlated Electrons, [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, Diffraction and scattering measurements, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], Physics::Geophysics
Abstract: International audience; Neutron scattering was used to investigate the structure of stoichiometric uranium dioxide. A statistical physics approach was used to model these experimental results and to relate them to the presence of polarons in the fluorite lattice.
Published: 2015

48. Structural Features in Uranium Oxides with Fluorite-Related Structures

Author: Baldinozzi, Gianguido, Desgranges, Lionel, Andersson, David, Simeone, David, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire de Modélisation Multi-échelles des Combustibles (LM2C), Service d'Etudes de Simulation du Comportement du combustibles (SESC), Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Département d'Etudes des Combustibles (DEC), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Los Alamos National Laboratory (LANL), Materials Research Society, and Baldinozzi, Gianguido
Subjects: [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.THEO] Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]
Abstract: International audience; The research for radiation-resistant compounds with fluorite related structure is a challenging area of research for developing reliable nuclear energy systems. Those systems, and advanced fuels in particular, require a sound understanding based on reliable experiments and numerical modelling in order to ensure their safe behaviour throughout the fuel life cycle, from fabrication to end of life storage. The problem of understanding and developing a predictive capability for the evolution of fuels is a challenging one, even for features apparently simple as oxidation. Uranium oxides have deceptively simple approximate chemical formulas that actually betray their extremely complex structural features and their propensity to form nonstoichiometric phases of composition UO2+x: in these phases U atoms exhibit multiple charge states and configurations. We would try to summarize a multidisciplinary effort to characterize the structural features of laboratory prepared UO2+x systems (0
Published: 2014

49. Diffraction Techniques as Efficient Tools to Probe the Structure and the Microstructure of Irradiated Materials

Author: Simeone, David, Luneville, Laurence, Baldinozzi, Gianguido, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Service des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA), Département de Modélisation des Systèmes et Structures (DM2S), Materials Research Society, and Service d’Études des Réacteurs et de Mathématiques Appliquées (SERMA)
Subjects: [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry
Abstract: International audience; The development of techniques like spin and dip coating, physical or chemical vapor deposition during the past decades offers now the opportunity for tailoring materials with numerous interfaces like multi layers or mesoporous materials. Glancing incidence X ray diffraction as well as the X ray reflectometry now offer the opportunity to probe the microstructure and the structure of materials at different depth, varying from few nanometers to few microns[1]. In this work, we firstly discuss the opportunity to use these techniques to follow the evolution of the microstructure and the structure as a function of the damage profile for new advanced nuclear materials. In the second part of this talk, we will point out the interest of the X ray reflectometry for studying ion beam mixing and then the stability of multi layers under irradiation. We lastly point out the interest of diffraction techniques to validate large scale simulations predicting the microstructural evolution of solids under irradiation [3].References:[1] D. Simeone, G. Baldinozzi, D. Gosset, G. Zalczer, and J. F. Berar. J. Appl. Crystallography, 44 :1205-1210, 2011[2] G. Baldinozzi, G. Muller, C. Laberty-Robert, D. Gosset, D. Simeone, and C. Sanchez. J. Phys. Chem.C, 116(14) :7658-7663, 2012.[3] D. Simeone, G. Demange, L. Luneville, Phys Rev E 88(3), 032116, 2013.
Published: 2014

50. Les techniques de diffraction comme outils d’investigation multi-échelle pour les céramiques nucléaires

Author: Baldinozzi, Gianguido, Laboratoire d'Analyse Microstructurale des Matériaux (LA2M), Service des Recherches Métallurgiques Appliquées (SRMA), Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-CEA-Direction des Energies (ex-Direction de l'Energie Nucléaire) (CEA-DES (ex-DEN)), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Département des Matériaux pour le Nucléaire (DMN), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des solides (SPMS), Institut de Chimie du CNRS (INC)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CEA, CEA Cadarache, DEC, and Baldinozzi, Gianguido
Subjects: [CHIM.THEO]Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.THEO] Chemical Sciences/Theoretical and/or physical chemistry, [CHIM.MATE] Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS]Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci], [CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry, [PHYS.COND.CM-MS] Physics [physics]/Condensed Matter [cond-mat]/Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]
Abstract: National audience; Les propriétés d’usage des céramiques résultent d’un subtil équilibre entre leurs propriétés locales à l’échelle atomique (composition chimique, structure cristallographique) et leurs microstructures à l’échelle micrométrique (taille des grains, type et densité de défauts, interfaces). L’environnement immédiat des atomes à l’échelle atomique contrôle les propriétés thermodynamiques des solides (énergie de cohésion, température de fusion, etc.) alors que la microstructure, prenant en compte la distribution des défauts et leurs interactions, est responsable des modifications importantes des lois de comportement dans les matériaux (conductivité thermique, contrainte à rupture, ...) et pilote donc le comportement des matériaux à l’échelle macroscopique. Ces deux échelles ne sont pas disjointes et la nécessité d’étudier ce couplage est un point fondamental pour appréhender les comportements des matériaux en conditions extrêmes (température et irradiation). Par exemple, sous irradiation, les collisions élastiques produites par le ralentissement de neutrons dans le cristal et les dépôts d’énergie électroniques dus à la traversée du cristal par les produits de fission affectent la cohésion du cristal à l’échelle atomique. De plus, la diffusion de ces défauts produits par irradiation modifie drastiquement la microstructure conduisant ainsi à d’importantes modifications de leurs lois de comportement. Au cours de cet exposé nous allons montrer par quelques exemples sur des matériaux céramiques (ZrO2, CeO2, UO2, …) que les techniques de diffractions (classiques, en incidence rasante, PDF, …) sont capables d’apporter des éléments de réponse et que les informations extraites d’un diagramme de diffraction sont par leur nature multi-échelles : positions atomiques, motifs cristallographiques, paramètres de maille (contraintes mécaniques), défauts (microdéformations locales), etc.
Published: 2014

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