En réacteur, le combustible nucléaire à base d'oxyde d'uranium (UO2) est soumis à l'irradiation simultanée des neutrons, des particules a ou g et des produits de fission. De plus, l'ensemble de ces phénomènes se produit en température (entre 500 et 1200°C). A l'échelle atomique, cela provoque d'une part des dommages de type balistique (entre autres des déplacements atomiques), principalement à cause des produits de fission de basse énergie, et, d'autre part, de l'endommagement électronique (ionisations et excitations électroniques) dû aux particules de haute énergie. Les dommages balistiques induisent une évolution de la microstructure à l'échelle nanométrique [1-2] et à l'échelle macroscopique avec des phénomènes de gonflement ou de restructuration. Par ailleurs, au-delà d'un certain niveau d'énergie déposée (supérieur à 20 keV/nm), les dommages électroniques induisent la formation de traces [3]. Ainsi, alors que l'effet des pertes d'énergies balistiques et électroniques dans l'UO2 est bien documenté, les effets synergiques entre ces deux processus, et surtout les mécanismes associés, n'ont fait l'objet que de peu d'étude. Récemment, des irradiations en double faisceau, avec des ions à basse et haute énergies, ont permis d'étudier ces phénomènes de couplage entre dommage balistique et électronique. Une recombinaison et une réorganisation des défauts plus importante a été observée [4-5]. Ces premiers résultats obtenus à température ambiante nécessitent d'être complétés en s'intéressant à l'influence de la température d'irradiation.

L'objectif de ce projet est d'étudier l'effet de la température sur le couplage entre pertes d'énergies balistique et électronique dans l'UO2. Pour cela, des irradiations par faisceaux d'ions seront mises en œuvre sur la plateforme JANNUS-Saclay tout d'abord en simple puis en double faisceau simultané afin de simuler la présence en réacteur de particules de hautes et de basses énergies. Pour suivre l'endommagement pendant l'irradiation, des analyses in situ par spectrométrie Raman seront effectuées. Les échantillons seront également caractérisés après irradiation par diffraction des rayons X (DRX) afin de compléter la caractérisation de l'endommagement survenant sous irradiation, notamment d'accéder aux micro distorsions du réseau cristallin.

L'étudiant travaillera sur la plate-forme d'accélérateurs du laboratoire JANNUS. Il bénéficiera de la diversité d'outils de caractérisation disponibles au sein du Département des Matériaux Nucléaires ainsi que des compétences variées en interne CEA (SRMP/JANNUS à Saclay et LLCC à Cadarache) et universitaire (IJCLab à Orsay). Ce travail pourra se poursuivre par une thèse proposée pour octobre 2021 dans laquelle les phénomènes seront approfondis et les mécanismes sous-jacents seront étudiés.

[1] A. D. Whapham et al., Philos. Mag., 12 (1965) 1179.
[2] A. D. Whapham. Nuclear Applications 2 (1966) 123.
[3] T. Wiss, Comprehensive Nuclear Materials, R. J. M. Konings, Ed. O