Le professeur associé Chen Liang, de l’École d’Ingénieurs Paris SJTU, en collaboration avec son équipe, a réussi à observer in situ l'évolution dynamique des boucles de dislocation sous irradiation à forte dose en mettant au point une technique combinant une irradiation préalable et une irradiation secondaire in situ. Ces travaux constituent la première découverte de boucles de dislocation non marginales dans les matériaux des cuves sous pression de réacteurs. Ils révèlent un mécanisme de transformation des plans d'habitus dominé par la scission des boucles de dislocation et la migration colonnaire, tout en élucidant le phénomène par lequel les grandes boucles absorbent les plus petites par migration unidimensionnelle. De plus, l'étude analyse de manière systématique les mécanismes par lesquels les éléments d'alliage influencent la formation et la croissance des boucles de dislocation. Les résultats ont été publiés dans la revue de science des matériaux de premier plan International Journal of Plasticity sous le titre « In situ irradiation study of orientation and dynamics of dislocation loop defects in Fe-based alloys».
Lien vers l'article : https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104659
L'université Shanghai Jiao Tong est mentionnée comme institution de premier auteur, et le professeur associé Chen Liang, du SPEIT, est à la fois l'unique premier auteur et l'unique auteur correspondant de l'article. Ces travaux de recherche ont bénéficié du soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, de la Fondation des sciences naturelles de Shanghai, de projets de recherche de la Société nationale nucléaire chinoise et du Fonds d'initiative mondiale de l'université Shanghai Jiao Tong.
Points forts de la recherche
L'évaluation de la fiabilité et la prévision de la durée de vie des matériaux critiques des réacteurs nucléaires dans des conditions d'exploitation extrêmes sont devenues des enjeux majeurs pour garantir le développement sûr et durable de l'énergie nucléaire, ainsi que des facteurs clés pour améliorer la rentabilité de l'exploitation des réacteurs. L'évolution dynamique des boucles de dislocation à l'échelle nanométrique induites par l'irradiation est un facteur déterminant qui régit les propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux de structure des réacteurs au cours de leur longue durée de vie. Les boucles de dislocation, composées d'agrégats de défauts ponctuels, présentent une migration unidimensionnelle. De plus, les boucles de dislocation présentant différentes orientations possèdent des capacités de dégradation variables ; cependant, une compréhension mécanistique du couplage dynamique entre la taille et l'orientation des boucles de dislocation au cours de leur évolution fait encore défaut.
L'équipe de recherche a utilisé une technique d'irradiation en deux étapes afin de se concentrer sur l'évolution à court terme des défauts d'irradiation après leur évolution à long terme. Dans un premier temps, des échantillons massifs ont été soumis à une pré-irradiation à forte dose et à haute température afin de générer des défauts d'irradiation tels que des boucles de dislocation ; ensuite, des échantillons de films minces destinés à la microscopie électronique à transmission ont été préparés à partir des échantillons massifs pré-irradiés à l'aide d'un faisceau ionique focalisé. Grâce au développement d'une technique et d'un appareil de polissage électrochimique flash à l'échelle de la milliseconde, la couche endommagée introduite par le faisceau d'ions focalisé lors de la préparation des échantillons a été entièrement éliminée, évitant ainsi toute confusion avec les défauts générés par la pré-irradiation ; enfin, les échantillons de films minces ont été soumis à une irradiation par ions secondaires dans des conditions de haute température à l'aide d'un dispositif couplant un accélérateur et un microscope électronique à transmission. Simultanément, le faisceau d'électrons a permis l'observation in situ de l'évolution dynamique des boucles de dislocation générés par une pré-irradiation à forte dose sous irradiation secondaire. Cela a permis d'établir des techniques d'analyse de la migration unidimensionnelle, de la taille et de l'évolution de l'orientation des boucles de dislocation sous les effets combinés de l'irradiation et de la haute température.
Dans cette étude, un alliage modèle destiné aux cuves de réacteurs a été utilisé, avec des teneurs en Ni et en Mn définies comme variables de contrôle. L'étude a rapporté la première découverte de boucles de dislocations de type non-bord 1/2<111> dans ce matériau, tandis que les boucles de dislocations <100> se sont avérés être de type purement bord, et un nouveau mécanisme de transformation des plans d'habitus des boucles de dislocations a été mis en évidence. Grâce à ce mécanisme, l'boucle de dislocation 1/2<111>{110} se divise d'abord pour former deux boucles de dislocation plus petits, 1/2<111>{110} et 1/2<111>{111} ; ensuite, par la migration unidimensionnelle de l'ensemble d'boucles de dislocation, l'boucle de dislocation 1/2<111>{110} est progressivement et complètement absorbé par l'boucle de dislocation 1/2<111>{111}, ce qui permet d'obtenir la transformation du plan d'habitus de l'boucle de dislocation. Parallèlement, l'étude a observé que les boucles de dislocation peuvent croître de manière linéaire en absorbant des défauts libres, ou par migration unidimensionnelle et fusion. La croissance par fusion entraîne la migration unidimensionnelle des boucles de dislocation ; au cours de ce processus, les boucles plus grandes absorbent les plus petites, maintenant inchangé le vecteur de Burgers de la boucle la plus grande et violant ainsi la loi de conservation du vecteur de Burgers. L'étude a en outre analysé l'influence des éléments d'alliage sur la capacité de l'boucle de dislocation à absorber les défauts libres, sur la concentration de ces défauts et sur la diffusion des défauts induits par irradiation. Il a été constaté que le Ni augmente principalement la concentration des défauts mobiles, tandis que le Mn inhibe principalement la diffusion des défauts induits par irradiation, ce qui élucide les schémas et les mécanismes par lesquels le Ni favorise la formation et la croissance des boucles de dislocation et le Mn en supprime la croissance. Cette étude fournit une base théorique et des données expérimentales pour l'élaboration de modèles de comportement en service des matériaux constitutifs, ainsi que pour la conception et l'évaluation de la composition des matériaux.
Figure 1 : Images TEM de la même zone de l'échantillon avant irradiation, au début de l'irradiation in situ (0 dpa) et après irradiation in situ jusqu'à 0,15 dpa : (a)–(c) Fe-0,6Ni, (d)–(f) Fe-1,4Mn, (g)– (i) Fe-0,6Ni-1,4Mn
Figure 2 : Vitesses de croissance des boucles de dislocation dans des alliages de compositions différentes sous irradiation in situ
Figure 3 : Évolution des plans d'habitus des boucles de dislocation dans un alliage Fe-0,6Ni-1,4Mn soumis à une irradiation in situ : (a1) 0,02 dpa, (a2) 0,03 dpa, (a3) 0,05 dpa, (a4) 0,06 dpa, (a5) 0,12 dpa ; (b) Nombre total de défauts contenus dans l'boucle de dislocation
Figure 4 : Processus de migration unidimensionnelle des boucles de dislocation <100> dans un alliage Fe-0,6Ni sous irradiation in situ : (a1–a3), (b1–b3) images TEM et schémas ; (c) Variation du diamètre de l'boucle de dislocation
来源｜科研办
文图｜陈良
排版｜谭笑
责编｜付雅宁