Dans ce mémoire d'Habilitation à Diriger des Recherches sont présentées les études menées par Jean-Paul Crocombette entre 1996 et 2005 au Service de Recherches de Métallurgie Physique de la Direction de l'Energie Nucléaire à Saclay. <br />Le travail se place dans le cadre général des recherches en sciences des matériaux sur le vieillissement des oxydes d'intérêt pour le nucléaire, en particulier sous irradiation. Dans ce contexte, on a mené des études de modélisation à l'échelle atomique en abordant deux ingrédients élémentaires du vieillissement sous irradiation : les défauts ponctuels et les cascades de déplacements à l'aide de deux techniques de simulation complémentaires : les calculs de structure électronique dits ab initio et la dynamique moléculaire en potentiels empiriques.<br />La première partie du mémoire est consacrée aux études de défauts ponctuels : auto-défauts (lacune, interstitiel) ou dopants hétéro-atomiques. Après avoir rapidement rappelé l'énergétique des défauts ponctuels dans les oxydes, les particularités des calculs de défauts et la précision que l'on peut attendre de ce type de calcul, on présente les résultats obtenus sur le dioxyde d'uranium, l'oxygène dans l'argent et la silice amorphe.<br />La deuxième partie du mémoire s'intéresse aux cascades de déplacements atomiques créées par les noyaux de recul des désintégrations Α dans diverses matrices cristallines de stockage des actinides radioactifs. Les calculs de cascade donnent des éléments pour comprendre les mécanismes d'amorphisation sous irradiation de ces oxydes. On a ainsi prédit que l'amorphisation dans le zircon a lieu dans le coeur de chaque trace alors que dans le zirconate de lanthane, l'amorphisation se produit par accumulation de défauts ponctuels.<br />En fin de mémoire, on présente les perspectives ouvertes par ces études et les travaux en cours.

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Le dioxyde d'uranium UO2 est le combustible nucléaire standard des réacteurs à eau pressurisée. Durant le fonctionnement du réacteur, la fission de l'uranium produit une grande variété de produits de fission (PF) dont le ralentissement dans la matrice crée un nombre important de défauts ponctuels. Les défauts ponctuels et les PF gouvernent en retour l'évolution des propriétés physiques du combustible sous irradiation. Dans cette étude,nous utilisons les calculs de structure électronique afin de mieux comprendre le comportement sous irradiation du combustible UO2. Nous nous intéressons en particulier au comportement des défauts ponctuels ainsi qu'à la stabilité de trois PF volatils : iode, krypton et xénon. Afin de rendre compte des fortes corrélations électroniques des électrons 5f de l'uranium dans UO2, nous utilisons l'approximation DFT+U, basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cependant, cette approximation crée un nombre important d'états métastables dans lesquels les systèmes peuvent rester piégés et qui sont à l'origine des dispersions observées dans la littérature.Pour résoudre ces problèmes, nous utilisons une méthode basée sur le contrôle des occupations électroniques des orbitales corrélées afin de systématiquement approcher le plus possible l'état fondamental des systèmes étudiés.Nous montrons que l'approximation DFT+U, utilisée en contrôlant les occupations électroniques, permet d'une part de décrire précisément le comportement des défauts ponctuels et des PF dans UO2, d'autre part de fournir des informations quantitatives quant aux propriétés de transport des défauts ponctuels dans le combustible oxyde. / Uranium dioxide UO2 is the standard nuclear fuel used in pressurized water reactors. During in-reactoroperation, the fission of uranium atoms yields a wide variery of fission products (FP) which create numerouspoint defects while slowing down in the material. Point defects and FP govern in turn the evolution of the fuelphysical properties under irradiation. In this study, we use electronic structure calculations in order to betterunderstand the fuel behavior under irradiation. In particular, we investigate point defect behavior, as well as thestability of three volatile FP: iodine, krypton and xenon. In order to take into account the strong correlations ofuranium 5f electrons in UO2, we use the DFT+U approximation, based on the density functional theory. Thisapproximation, however, creates numerous metastable states which trap the system and induce discrepanciesin the results reported in the literature. To solve this issue and to ensure the ground state is systematicallyapproached as much as possible, we use a method based on electronic occupancy control of the correlated orbitals.We show that the DFT+U approximation, when used with electronic occupancy control, can describe accuratelypoint defect and fission product behavior in UO2 and provide quantitative information regarding point defecttransport properties in the oxide fuel.

L’étude des défauts ponctuels (lacunes, impuretés) et des complexes (cavités, joints de grains, etc.) est un domaine important de la physique du solide. Les propriétés physiques et chimiques des matériaux (élasticité, plasticité, fragilité, etc.) sont très souvent corrélées à la présence de ces défauts. Les techniques expérimentales ne sont cependant pas toujours en mesure de fournir une compréhension suffisante de ceux-ci. Dans ce cas-là, les simulations numériques et la modélisation à l’échelle atomique sont des outils utiles pour interpréter les résultats expérimentaux. Mon travail de thèse se situe dans ce cadre. Le manuscrit comporte 4 principales parties. Dans la première et la deuxième partie, nous présentons les principes de la DFT et la méthodologie utilisée dans cette thèse. La troisième partie de ce manuscrit résume l’étude théorique par DFT de la formation, la migration et la diffusion de différentes configurations de multi-lacunes Vn(n=1-15) dans le fer cubique centré. Les configurations de Vn les plus stables y sont décrites en détail : les énergies de formation, de liaison et de piégeage. La migration de différentes multilacunes est discutée en détail d’un point de vue énergétique et configurationnelle. Dans la dernière partie, nous nous intéressons à l’absorption du soufre dans différents sites (interstitiel et substitutionnel) du massif de Ni et sa ségrégation vers les surfaces Ni (100) et Ni (111). L’étude du soufre en volume permet de clarifie sa position en solution solide. Nous discutons des interactions soufre-soufre et avec le métal de base. La ségrégation et l’absorption sur des surfaces libres du nickel est aussi abordée en détail. / The study of point defects (vacancies, impurity) and complex defects (cavities, grain boundary etc.) is a major challenge for solid state physics. The physical and chemical properties of materials (such elasticity, plasticity, embrittlement etc.) are correlated to the presence of these defects. The experimental study is not always able to bring sufficient information about them. In this way computational simulations and the modeling on the atomic level is efficient to interpret the experimental results and to obtain new informations. This PhD work consists also in a theoretical study of defects in metals. This manuscript is organized in four main parts. In the first and second part, we present the theoretical principles and the methodology used in this work. In the third part, we report a long discussion on the study of formation, migration and diffusion of multivacancies Vn in the bcc-iron system. The main objective of this study is to identify and to analyze most stable configurations of multivacancies for different sizes of Vn (n=1-15) in Fe. The migration is also investigated. In the last part, we present a study of S atoms in nickel. The different sites (interstitial and substitutional sites) in solid solution of nickel-fcc and the segregation of sulfur on and in the Ni(100) and Ni(111) surfaces are discussed. The study of sulfur in the bulk shows that the atoms S occupy the substitutional sites. The S-S and S-Ni interactions are also presented. We conclude by a discussion on the segregation and the adsorption on free surfaces.

Dans cette étude la céramique Ti2AlC a pu être brasée avec succès sur un substrat de Ni dans une gamme de température allant de 1000°C à 1100°C et pour des temps de maintien de 10 à 60 mn. Les mécanismes mis en œuvre pendant la brasure ont été mis en lumière en étudiant la microstructure du joint Ti2AlC/Ni. On montre ainsi que le nickel provenant du métal d’apport BNi-2 diffuse dans Ti2AlC, majoritairement le long des joints de grains et parfois aussi dans certains grains d’orientation favorable. Le phénomène d’interaction induit des variations de fluidité du métal d’apport liquide. En conséquence, l’épaisseur des joints réalisé sont fonction des différents paramètres de brasage. La résistance maximale au cisaillement est obtenue à 1100°C après un temps de maintien de 30 min. Dans un second temps, l’interaction entre les principaux éléments contenus dans le métal d’apport (c.-à-d. Ni, Cr et Si) et le substrat Ti2AlC a été expliqué à l’aide de modélisations DFT. Il est montré que ces trois éléments ont chacun leur site de substitution spécifique. Les atomes de Si se placent plutôt sur le site Al, le Cr sur le site Ti et les atomes de Si sur le site de l’aluminium. Deux voies de décomposition de Ti2AlC en présence de défauts ont également été identifiées soit en raison de modes de vibrations instables, soit en raison de la compétition avec d’autres phases. / In the present work, the brazing experiments of Ti2AlC ceramics to Ni substrate have been successfully performed in the temperature range between 1000°C and 1100°C, with the holding time varying from 15 min to 60 min. The corresponding mechanisms have been disclosed by studying the microstructure of the Ti2AlC/Ni joint. It is found that the Ni element originating from the BNi-2 filler can diffuse into the Ti2AlC substrate during the brazing process, mainly along the grain boundary, or in some grains with special orientations. The interaction process induces some differences in the fluidity of the liquid filler; consequently, the thickness of the Ti2AlC/Ni joints achieved finally is different at different brazing parameters. The maximum shear strength is measured to be 193 MPa, achieved at 1100°C holding for 30 min. Afterwards, the interaction behavior between the filler elements (including Ni, Cr and Si) and the Ti2AlC substrate, has been explained by DFT simulation. It is found that the three kinds of filler elements have their own preferred substitution sites: Ni atoms are most likely to be found at Al site, Cr atoms at Ti site, and Si atoms at Al site. Then, the decomposition mechanisms of the defective Ti2AlC model have been illustrated as well, which might occur in two possible means: unstable vibrational behaviors, and lower Gibbs energy of competing phases.

Pour obtenir des matériaux céramiques aux propriétés contrôlées il est le plus souvent fait appel à l'utilisation d'additions minérales en faible quantité. <br />Ces ajouts permettent de favoriser la densification ou de contrôler le phénomène de grossissement des grains, ou encore de modifier les propriétés mécaniques, physiques ou optiques.<br />Cette étude a pour objectif de caractériser et de modéliser l'action de certains dopants à la fois sur la réactivité et la microstructure, et sur les propriétés optiques de l'alumine-alpha. <br />Nous avons montré que la thermoluminescence (TL) basse température après une excitation UV est une excellente technique permettant de détecter la présence de la phase quadratique de la zircone, stabilisée par l'alumine. La TL basse température des composites alumine-manganèse est influencée par une émission à 675,5-679 nm. Plusieurs hypothèses sur le(s) centre(s) de recombinaison responsable(s) de cette émission ont été avancées : Mn4+, Cr3+ présent dans un environnement autre que l'alumine, ou à la fois Mn4+ (à 675,5 nm) et Cr3+ dans un autre réseau (à 679 nm). La TL basse température des composites alumine-titane est influencée par l'ion Ti3+ agissant comme centre de recombinaison et comme centre piège. La TL à température ambiante des composites alumine-titane est influencée par l'ion Ti4+ agissant comme centre de recombinaison et comme centre piège. Cette influence de Ti4+ se traduit notamment sur le pic D' par une double bande d'émission bleue-verte attribuable au centre Ti4+ et à l'agrégat (Ti4+-VAl').<br />Nous avons mis en évidence pour les composites alumine-zircone, qu'un traitement thermique du mélange sera préférable pour l'aptitude au frittage à un traitement des oxydes seuls avant mélange. La présence de manganèse favorise la densification de l'alumine, en particulier grâce à un frittage en phase liquide. On le constate par la présence d'un pic dérivé de dilatométrie supplémentaire à haute température. Nous avons pu mettre également en évidence la présence de ségrégation aux joints de grains avec drainage des impuretés fer, calcium avec le manganèse. La présence de titane favorise la densification de l'alumine, ainsi que le grossissement des grains. Nous avons pu mettre en évidence la ségrégation aux joints de grains d'excès de TiO2 au-delà de la limite de solubilité, ainsi que la présence de la phase secondaire Al2TiO5 en surface des échantillons.

Les applications potentielles du carbure de silicium (SiC) en microélectronique ont motivé de nombreuses études sur les défauts ponctuels, qui jouent un rôle important dans la compensation électrique. Ce matériau possède en outre de nombreux atouts pour participer au confinement des matières fissiles dans les réacteurs à caloporteur gazeux du futur (4ème génération). Dans cette thèse, nous avons utilisé la Résonance Paramagnétique Electronique et la Spectroscopie d'Annihilation de Positons pour étudier les propriétés (nature, taille, état de charge, migration et agglomération sous recuit) des défauts ponctuels natifs et induits par irradiation avec différentes particules (H+, e-, ions carbone) dans les polytypes 3C et 6H de SiC. L'étude par annihilation de positons des défauts natifs dans 6H-SiC a permis de mettre en évidence une forte concentration de pièges non lacunaires de type accepteur, qui ne sont pas présents dans les cristaux 3C-SiC. La nature des défauts détectés après irradiation aux électrons de basse énergie (190keV) dépend du polytype. En effet, si des paires de Frenkel de silicium et des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 6H, seules des monolacunes de carbone sont détectées dans les cristaux 3C. Nous proposons que ces différences quant aux populations de défauts ponctuels détectés résultent de valeurs différentes des énergies de seuil de déplacement du silicium dans les deux polytypes (environ 20eV pour 6H et 25eV pour 3C). Par ailleurs, les irradiations avec des protons de 12MeV et des ions carbone de 132MeV créent des monolacunes de silicium ainsi que des bilacunes VSi-VC. Ni la particule (protons ou ions carbone), ni le polytype (3C ou 6H) n'influent sur la nature des défauts générés. Enfin l'étude du recuit de monocristaux 6H-SiC irradiés avec des protons de 12MeV a permis de mettre en évidence plusieurs processus successifs. Le résultat le plus original est l'agglomération des monolacunes de silicium avec les bilacunes VSi-VC qui mène à la formation de trilacunes VSi-VC-VSi.

Des recherches sont actuellement menées, en France, pour traiter spécifiquement les déchets nucléaires de haute activité à vie longue, en particulier le césium. Le confinement du césium dans des matrices hautement durables constitue l'option privilégiée. La hollandite est une matrice de choix en raison de sa bonne capacité d'accueil du césium et de son excellente durabilité chimique. Lors de cette étude, diverses compositions de céramiques hollandite BaxCsyCzTi8-zO16 (C=Al3+,Cr3+,Ga3+,Fe3+,Mg2+,Sc3+), élaborées par voie oxyde, ont été caractérisées en terme de structure, microstructure et de propriétés physico-chimiques. Les Fe-hollandites (C=Fe) semblent les plus prometteuses. La stabilité de ces céramiques sous irradiation électronique externe, simulant les irradiations βγ du césium radioactif, a aussi été évaluée, au niveau macroscopique et atomique. La création des défauts ponctuels et leur stabilité thermique ont notamment été suivies par résonance paramagnétique électronique.

Ce travail expérimental a consisté en l'étude des défauts ponctuels induits par une irradiation électronique dans la structure cristallographique cubique du carbure de silicium (SiC) au moyen des techniques spectroscopiques de photoluminescence à basse température (LTPL) et de résonance paramagnétique électronique (RPE). Le premier de ces deux outils de mesures a permis d'estimer l'énergie seujl de déplacement dans le sous-réseau silicium puis d'analyser la stabilité thermique des défauts d'irradiation dans le domaine des basses températures (10 – 300K) puis dans la gamme des hautes températures (300 – 1400 K). Par ailleurs, sur la base d'un modèle théorique récent, cette thèse a corroboré la proposition de l'antisite de silicium isolé pour le centre D! 1 dont la persistance au-delà de la température nominale de fonctionnement des réacteurs nucléaires à fission de génération IV, pour lequel SiC est en partie destiné, se révèle particulièrement problématique. Des mesures entreprises par RPE sous illumination ont enfin permises de détecter un nouveau défaut dans son état métastable de spin S=1, possiblement associé à une configuration d'interstitiel de silicium.

Les transitions de phase dans les solides sont accompagnées de modifications particulières des propriétés thermiques, électriques, magnétiques, etc..., en plus des changements de structure cristalline; aussi les travaux entrepris à propos de ces phénomènes sont nombreux. Cependant, aucune théorie ne s'est révélée complète et satisfaisante. Il nous a semblé qu'il serait intéressant d'essayer d'approfondir ce sujet; nous avons choisi le bromure d'ammonium, les chlorures d'ammonium et de césium de symétrie cubique à basse température et qui conservent cette symétrie lors de la transformation, ceci pouvant simplifier éventuellement certaines études. Notre exposé est divisé en quatre chapitres : Dans le premier, nous avons réuni quelques notions thermodynamiques et cristallographiques connues sur les transitions de phase dans les solides. Le deuxième chapitre comprend la description de l'appareillage que nous avons utilisé, soit trois techniques principales: dilatométrie, thermoradiocristallographie et analyse thermique différentielle. Dans le troisième chapitre sont consignés nos résultats expérimentaux concernant le bromure d'ammonium, les chlorures d'ammonium et de césium. Nous avons essayé de déterminer leur température de transition et d'étudier leur comportement au moment de leur changement de structure. Le dernier chapitre est un essai d'interprétation de nos résultats expérimentaux, sous les aspects cinétique, thermodynamique et structural. Certaines explications avancées dans ce chapitre apparaitront d'ailleurs insuffisantes.