Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude et du développement de matériaux céramiques de type carbure pouvant être utilisés dans l'assemblage combustible des réacteurs nucléaires du futur. Depuis l'accident de Fukushima, ces céramiques réfractaires sont envisagées afin d'améliorer la sûreté dans les centrales à eau pressurisée actuelles. Sous forme de revêtements ou de gaines, ces matériaux pourraient en effet permettre de garantir une meilleure résistance de l'assemblage combustible notamment en conditions accidentelles à haute température. Le principal frein à l'utilisation en réacteur de céramiques carbures sous forme frittée est leur faible ténacité qui a conduit à envisager l'utilisation de matériaux composites à matrice céramique. Ces matériaux sont constitués de fibres ou de tubes insérés dans une matrice céramique. Depuis quelques années, des techniques complexes permettant d'envisager la fabrication de gaines étanches aux produits de fission gazeux ont été perfectionnées (Procédés CVI et NITE®, utilisation d'un liner…). Quel que soit le procédé ou la forme finale du matériau envisagé, la mise en oeuvre d'une matrice céramique à nanograins peut présenter un gain en termes de résistance à l'irradiation notamment. Certains matériaux sont à l'étude comme le carbure de titane qui présente l'avantage de présenter une très haute température de fusion et également une conductivité thermique relativement conservée sous irradiation et à haute température. Dans cette étude, nous avons choisi de nous intéresser à l'impact de la taille de grains sur certaines propriétés du matériau TiC. Notre démarche a été de synthétiser trois microstructures différentes par la technique SPS avec trois tailles de grains moyennes. Dans un premier temps, nous avons déterminé les meilleures conditions de dispersion d'une poudre commerciale nanométrique (≈40 nm). Nous avons ensuite défini les conditions optimales de frittage afin d'obtenir les trois microstructures souhaitées / In the context of generation IV reactors, refractory ceramics such as carbides are developed for the fuel cladding. Titanium carbide (TiC) exhibits good mechanical properties such as hardness and wear resistance, a high thermal conductivity even under irradiation and a good stability over a wide range of stoichiometry which is an asset for irradiation resistance. Due to these properties, TiC appears to be an interesting candidate for nuclear applications. Titanium carbide samples were prepared by spark plasma sintering. Three different microstructures were prepared with average grain sizes of about 0.3, 1.3 and 25.0 µm. Each microstructure was irradiated with 500 keV 40Ar+ ions at a high fluence of 3.2X10[exposant]17 at.cm[exposant]-2. Irradiations were carried out at room temperature (RT) or at 1000°C. Post-irradiation annealing was performed on some samples to follow the surface modification. In fact, clusters and nanocracks were observed at depth in the nanometric grains (<100nm) whereas more extended cracks were found in larger grains (>1 µm). Microcracks can induce localized surface blistering after irradiation at RT. The size, shape and density of the blisters were proposed to depend on the crystallographic orientation of each grain. The microstructure with sub-micrometric grains exhibited increased surface roughness after irradiation, with grain removal and grain boundary abrasion but no blistering. In this article, we highlight the role played by gastight grain boundaries and porosity to explain the distinct behavior of microstructures

Ion irradiation of carbon nanotubes is a tool that can be used to achieve modification of the structure. Irradiation stability of carbon nanotubes was studied by ion and electron bombardment of the samples. Different ion species at various energies were used in experiments, and several defect characterization techniques were applied to characterize the damage. Development of dimensional changes of carbon nanotubes in microscopes operated at accelerating voltages of 30 keV revealed that binding energy of carbon atoms in CNs is much lower than in bulk materials. Resistivity measurements during irradiation demonstrated existence of a quasi state of defect creation. Linear relationship between ID/IG ratio and increasing irradiation fluence was revealed by Raman spectroscopy study of irradiated carbon buckypapers. The deviations from linear relationship were observed for the samples irradiated to very high fluence values. Annealing of irradiated samples was able to reduce the value of ID/IG ratio and remove defects. However, annealing could not affect ID/IG ratio and remove defects in amorphized samples. The extracted value of activation energy for irradiated sample was 0.36 ±0.05 eV. The value of activation energy was in good agreement with theoretical studies.

In dieser Arbeit wurde die durch Bestrahlung mit schnellen Neutronen bedingte Materialalterung von Reaktordruckbehälterstählen untersucht. Das Probenmaterial umfasste unbestrahlte, bestrahlte und ausgeheilte RDB-Stähle russischer und westlicher Reaktoren sowie Eisenbasis-Modelllegierungen. Mittels Neutronen-Kleinwinkelstreuung ließen sich bestrahlungsinduzierte Leerstellen/Fremdatom-Cluster unterschiedlicher Zusammensetzung mit mittlerem Radius um 1.0 nm nachweisen. Ihr Volumenanteil steigt mit der Strahlenbelastung monoton, aber im allgemeinen nicht linear an. Der Einfluss der Elemente Cu, Ni und P auf den Prozess der Clusterbildung konnte herausgearbeitet werden. Eine Wärmebehandlung oberhalb der Bestrahlungstemperatur reduziert den Anteil der Strahlendefekte bis hin zu deren vollständiger Auflösung. Die Änderungen der mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe lassen sich eindeutig auf die beobachteten Gefügemodifikationen zurückführen. Die abgeleiteten Korrelationen können als Hilfsmittel zur Vorhersage des Materialverhaltens bei fortgeschrittener Betriebsdauer von Leistungsreaktoren mit herangezogen werden.

Commercial sterilization of medical devices may be performed using electron beam irradiators, which operate at various electron energies. The potential for activating components of the devices has been discussed, with current standards stating that an electron energy greater than 10 MeV requires assessment of potential induced radioactivity. There does not appear to be a literature citation for this energy limit, but it is the accepted default assumption within the industry. This research was directed at evaluating potential activation in medical products sterilized in electron beam as a function of the electron maximum energy. Monte Carlo simulation of a surrogate medical device was used to calculate photon and neutron fields resulting from electron irradiation, which were used to calculate concentrations for several radionuclides. The predominant mechanism for inducing radioactivity is photoneutron production in metal elements. Other mechanisms, including photoneutron production in deuterium with subsequent neutron capture, neutron capture of the photoneutrons produced in metal elements, and isomeric excitation, are all possible means of inducing radioactivity in similar conditions, but none made a perceptible contribution to activation in these experiments. The experiments confirmed that 10 MeV is a conservative assumption that any lower energy does not create significant activation. However, in the absence of a limited number of elements, the amount of induced radioactivity at 11 MeV and 12 MeV could also be considered insignificant. When based on an estimate of the amount of metal present in a medical device, the sum-of-fractions comparison to the US Nuclear Regulatory Commission exempt concentration limits is less than unity for all energies below 12.1 MeV, which suggests that there is minimal probability of significant induced activity at energies above the generally-accepted standard 10 MeV upper energy limit. / text

published_or_final_version / Medicine / Master / Doctor of Medicine

Cette étude s’inscrit dans le cadre de la dépollution de l’eau, elle a eu pour but d’examiner la dégradation photocatalytique d’herbicides phénylurées en solution aqueuse à pH acide, en présence d’un oxyde de fer naturel et d’acides carboxyliques. L’oxyde de fer naturel a été caractérisé par spectroscopie Raman, l’identification des produits de dégradation du fénuron et la proposition d’un mécanisme de dégradation ont été réalisées. Deux types d’irradiation ont été utilisés, i.e. l’irradiation solaire naturelle et l’irradiation par des UV générés par des lampes à vapeur de mercure. La photodégradation du fenuron en présence d’oxyde de fer naturel et l'acide oxalique obéit à une loi du premier ordre, les conditions expérimentales optimales pour ce système étaient [acide oxalique]0 = 10-3 M, [Hématite naturelle] = 0.1 g L-1 ; pH = 3. Le temps de demi-vie du fenuron est court (60 32 min) mais les résultats sont meilleurs sous irradiation solaire naturelle (30 15 min). L'acide oxalique est l’acide carboxylique le plus efficace en photodégradation du fénuron (disparition totale), l’ordre d’efficacité varie ainsi : acide oxalique > acide citrique > acide tartrique > acide malique. L’étude analytique de la dégradation du fénuron par ce procédé a permis l’identification de huit photoproduits aromatiques, de trois acides carboxyliques à courte chaîne de carbone et des ions inorganiques. Ce travail a permis de mettre en évidence le rôle de l’oxygène dissous dans le processus de dégradation du fenuron par le procédé de photo-Fenton-like, le processus ne peut pas avoir lieu en milieu désoxygéné car aucune production de H2O2 n’a été observée sous irradiation UV. L’oxygénation du milieu permet d’améliorer la capacité oxydative du procédé et d’augmenter le taux de minéralisation du carbone organique totale. En effet l’oxygénation du milieu augmente indirectement la production des radicaux hydroxyles par augmentation de la production de H2O2. Il a été mis en évidence pendant l’étude quantitative que l’oxygène était le réactif le plus consommé par ce procédé. Le traitement de la solution contenant 10-4 M de fenuron et 10-3 M d’oxalate a permis de réduire significativement la toxicité de la solution initiale après 360 minutes d’irradiation. / The photodegradation of the herbicide phenylurea by using a natural iron oxide (NIO) α-Fe2O3 in aqueous solution at acidic pH has been undertaken. The NIO was characterized by the Raman spectroscopy method. The degradation pathways and the formation of by-products were studied. A high-pressure mercury lamp and sunlight were employed as light source. Fenuron photodegradation using NIO with oxalic acid followed the pseudo-first order kinetics, the optimal experimental conditions were [oxalic acid]0 = 10−3 M and [NIO] = 0.1 g L−1 at pH 3. NIO/oxalic acid/UV system led to a low fenuron half-life (32 min). The results were even better when solar light is used (15 min). The effect of four carboxylic acids; oxalic, citric, tartaric and malic acids on the degradation efficiency was studied. Oxalic acid was the most effective carboxylic acid used on the fenuron photodegradation with NIO at pH 3. The analytical study showed many aromatic intermediates, short-chain carboxylic acids and inorganic ion.The role of dissolved oxygen (DO) in degradation and mineralization of fenuron in the photo-Fenton-like system by using the NIO was also studied; the NIO was used as an iron source. The DO effect has been elucidated by carrying out experiments with and without oxygen, it has been found that the degradation and mineralization rate were strongly affected by change in DO concentration. In absence of oxygen, there is no photo-Fenton-like because of the lack of hydrogen peroxide, the degradation was caused only by the photo-reduction of Fe(III) complex in this case. Oxygenation improved the hydrogen peroxide production under irradiation. The mass balance of the reactive species showed that dissolved oxygen was the main reactive consumed during the process. The toxicity decrease with irradiation time proves that the intermediates generated during photo-oxidation by the photo-Fenton-like system by using a NIO are less toxic than fenuron.

Les alliages fer-chrome présentent des comportements thermodynamiques et cinétiques particuliers liés à leurs propriétés magnétiques. La décomposition de l’alliage par vieillissement thermique a été étudiée dans cette thèse. Pour cela, un modèle cinétique de la décomposition de l’alliage à l’échelle atomique a été développé en modélisant de façon détaillée les propriétés thermodynamiques et de diffusion des espèces chimiques dans l’alliage. L’évolution des propriétés de diffusion des éléments avec la transition ferro-paramagnétique de l’alliage a en particulier été modélisée. Les décompositions simulées par ce modèle ont été comparées à des décompositions expérimentales pour une large gamme de concentrations et de températures. Cette comparaison a montré un bon accord entre les cinétiques simulées et les expériences et a permis de mettre en évidence le rôle central de la transition ferro-paramagnétique dans la cinétique de décomposition des alliages fortement concentrés en chrome. Cette étude a également montré que la diffusion des éléments à l’interface des phases est responsable de la cinétique de décomposition de l’alliage aux temps longs. Une étude de la ségrégation induite par l’irradiation au voisinage des puits de défauts a également été commencée. Pour cela, un modèle de l’évolution de l’alliage sous irradiation contenant un puits de défauts a été développé. Il a été montré, en accord avec la littérature, que pour les cas faiblement concentrés en chrome, l’alliage a tendance à s’enrichir en chrome au voisinage des puits de défauts à basse température et à s’appauvrir en chrome à haute température. / Iron-Chromium alloys have a peculiar thermodynamic and diffusion behavior which is due to their magnetic properties. The alloy decomposition under thermal ageing has been studied in this thesis. An atomistic kinetic model has been performed in this aim in which we have modeled in details the chemical species thermodynamic and diffusion properties. In particular, the evolution of elements diffusion properties with the ferro-paramagnetic transition has been introduced in the model. Simulated decompositions have been compared with experiments for a large range of concentrations and temperatures. A good agreement between simulations and experiments was observed and these comparisons have highlighted the ferro to paramagnetic transition key role in the concentrated alloys kinetic decomposition. This study has also evidenced that the elements diffusion at phases interfaces is responsible for the alloy decomposition kinetic in long lasting. We have also started a study on the alloy radiation induced segregation. For that purpose, atomistic kinetic model has been performed modeling defects migration through a perfect planar sink. It have been shown, I agreement with former studies, that chromium tends to segregate in the vicinity of sinks a low temperatures and deplete at high temperature.

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