Dans les nouvelles centrales nucléaires dites 4ème génération, comme d’ailleurs les anciennes, le dioxyde d’uranium devra opérer dans des milieux hostiles de températures et d’irradiation avec la présence des produits de fission (PF) et des particules alpha (α). Le fonctionnement dans ces conditions extrêmes induira des déplacements d’atomes et dégradera les propriétés thermiques et mécaniques du combustible UO2. La compréhension du comportement des défauts lacunaires, des PF et de l’hélium est cruciale pour prévoir le comportement du dioxyde d’uranium au sein de ces futures installations nucléaires. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude des défauts lacunaires induits par l’implantation de krypton et d’iode (quelques MeV) dans l’UO2 polycristallin et leurs stades de recuits. L’analyse par spectroscopie d’annihilation de positons (PAS) a permis de mettre en évidence la création de défauts de Schottky VU-2VO dans le cas des implantations iode et la formation de clusters lacunaires contenant du gaz pour les implantations krypton. L’évolution en température de ces défauts générés dépend des paramètres d’implantation (nature des ions, énergie, fluence). Cette étude a montré les rôles importants que peuvent jouer les défauts lacunaires et la présence des gaz de fission dans l’évolution du matériau UO2. Ensuite, nous nous sommes intéressés à l’étude et à la caractérisation, par PAS et les techniques d’analyse par faisceau d’ions (NRA/C et RBS/C), du comportement de l’hélium dans l’UO2. Les mesures de NRA/C et RBS/C révèlent une localisation d’une grande fraction d’hélium dans les sites interstitiels octaédriques de la matrice UO2. La localisation de l’hélium reste stable dans ces sites pour T< 600°C, évoluent légèrement entre 600 et 700°C et devient aléatoire à 800°C. Les mesures PAS mettent en évidence trois stades d’évolution des défauts lacunaires : la recombinaison par migration des interstitiels d’oxygène, l’agglomération des défauts entre 600 et 800°C et leur dissociation et élimination lorsque la température augmente. Ces résultats suggèrent que le transport d'hélium est assisté par les défauts lacunaires. / In the new fourth generation nuclear plants, as in the old ones, uranium dioxide must operate in hostile environments of temperature and irradiation with the presence of fission products (FP) and alpha particles (α). Operation in these extreme conditions will induce atoms displacements and degrade the thermal and mechanical properties of UO2 fuel. Understanding the behavior of induced vacancy defects, FP and helium is crucial to predict the uranium dioxide behavior in the future nuclear reactors. The first part of this thesis is dedicated to the study of vacancy defects induced by krypton and iodine implantation (a few MeV) in the UO2 polycrystalline and of their evolution under annealing. Analysis by positron annihilation spectroscopy (PAS) has highlighted the creation of Schottky defects VU-2VO in the case of iodine implantations and formation of vacancy clusters containing the gas for krypton implantation. The temperature evolution of these defects depends on the implantation parameters (nature of the ion energy, fluence). This study showed the important roles that can play vacancy defects and the presence of fission gases in the evolution of UO2 material. Then we were interested in the study of the helium behavior in UO2 its location and migration, agglomeration and interaction with vacancy defects by using PAS and ion beam analysis (NRA/C and RBS/C). The NRA/C and RBS/C characterizations showed a localization of a large helium fraction in the octahedral interstitial sites of the UO2 matrix. The helium location in these sites remains stable for T <600°C, changing slightly between 600 and 700°C and becomes random at 800°C. Positron annihilation spectroscopy reveals three stages of vacancy defects evolution : The recombination with oxygen interstitial migration, defects agglomeration between 600 and 800°C and their dissociation and elimination when the temperature increases. These results suggest that the He transport is assisted by the vacancy defects.

Le tungstène sera soumis à des conditions extrêmes de température et de bombardement de particules en tant que paroi des cibles du divertor dans le réacteur de fusion nucléaire ITER. De hauts flux d’ions légers impacteront la surface du tungstène et sont susceptibles de générer des défauts dans le cristal. Cette étude vise à étudier les premières étapes de la formation des défauts lacunaires dans le cristal de tungstène soumis à un faible flux d’ions de faible énergie afin de comprendre le rôle de l’accumulation de l’hélium, un des produits de la réaction de fusion du deutérium et du tritium. Pour cette étude, une source plasma ICP-RF a été développée et qualifiée afin de réaliser des implantations d’hélium dans des conditions parfaitement contrôlées. Les implantations d’hélium ont été réalisées pour plusieurs conditions de fluence, d’énergie et de température, sur des échantillons de tungstène polycristallins. La spectroscopie d’annihilation des positons a été utilisée pour caractériser les défauts lacunaires, les analyses par réactions nucléaires, pour quantifier l’hélium implanté et la spectrométrie de thermodésorption pour caractériser les interactions de l’hélium dans le cristal. Les résultats montrent que pour une énergie de 320 eV à température ambiante, une fluence incidente limite est atteinte à partir de laquelle une saturation de l’hélium implanté apparaît et la formation de lacunes de grande taille débute. L’étude de l’influence de l’énergie et de la température montre l’importance de la répartition de l’hélium en profondeur et de sa mobilité dans le cristal sur la taille et la diversité des défauts formés. Les implantations sont simulées par dynamique moléculaire. Les résultats obtenus par l’approche numérique sont comparés aux résultats expérimentaux afin de mieux comprendre les mécanismes élémentaires mis en jeu. / Tungsten will be exposed to severe plasma conditions such as high temperature and high particle bombardment as a target of the divertor in the nuclear fusion reactor ITER. High fluxes of light ions will impact its surface and can generate defects in the crystal. This study means to observe the first steps of the vacancy-type defects formation in the tungsten crystal subject to low ion flux of low kinetic energy in order to understand the influence of the accumulation of helium, one of the nuclear reaction products. For the experiments, an ICP-RF plasma source was developed and characterized to perform helium implantations under perfectly controlled conditions. Helium implantations were performed under various conditions of fluence, energy and substrate temperature on polycrystalline tungsten samples. Positron annihilation spectroscopy was used to characterize vacancy-type defects, nuclear reaction analysis to quantify implanted helium and thermal desorption spectrometry to characterize the interactions of helium in the crystal. Results show that, for a kinetic energy of 320 eV and at room temperature, a saturation of the helium implanted quantity is reached for a limit incident fluence and that large vacancy defects starts to form. Study of the kinetic energy and the surface temperature influences show the importance of the depth distribution and the mobility of the helium in the crystal on the size and the diversity of the generated defects. Implantations are performed by molecular dynamic simulations. Results obtained by the numerical approach are compared to experimental ones in order to get a better understanding of the atomic scale mechanisms.