La rétention du tritium dans les matériaux de structure des futurs réacteurs de fusion limite le cycle du combustible et la sûreté : la limite réglementaire pour ITER est d'environ 1 kg de tritium dans la chambre à vide. Les travaux voisins dans les archives montrent comment l'irradiation modifie les propriétés magnétiques, comment l'hydrogène fragilise l'acier et comment les films de bore protègent les parois, mais le mécanisme atomique reliant la ségrégation induite par irradiation à la capture des isotopes de l'hydrogène à haute température restait flou. Cet article comble cette lacune en reliant expériences et calculs.
Des échantillons d'acier F82H-IEA ont été irradiés simultanément avec des ions fer (5 MeV), hydrogène (390 keV) et hélium (2,85 MeV) à 500 °C jusqu'à des doses de 50 et 150 dpa. La composition chimique des cavités a été étudiée par microscopie électronique en transmission avec spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie. Ensuite, à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, on a modélisé les surfaces de fer (100) et (110) avec des amas d'hélium et des impuretés Cr, Ta, W à des couvertures de 0,1 à 1 monocouche ; les énergies de liaison de l'hydrogène et les barrières de migration ont été calculées par les méthodes CI-NEB.
Les expériences ont révélé une ségrégation marquée du chrome et du tantale sur les surfaces des cavités d'hélium, tandis que le tungstène restait distribué uniformément. Les calculs ont montré que Cr, Ta et W renforcent globalement la liaison de l'hydrogène par rapport au fer pur : sur la face (100), le tantale donne l'effet le plus fort, sur la face (110) à haute couverture, le chrome l'emporte. L'hélium agit en sens inverse : pour un rapport He/V = 1, l'énergie de liaison de l'hydrogène chute en raison de la compression du réseau et de la diminution du transfert de charge, mais le chrome et le tantale ségrégés maintiennent les pièges. L'analyse électronique a révélé deux mécanismes : une forte hybridation de H 1s avec les orbitales d de Ta et W, ainsi qu'un déplacement de la bande d de la surface qui, pour Cr, la rapproche du niveau de Fermi et renforce l'adsorption.
Ce travail se distingue des études voisines en reliant pour la première fois la ségrégation radiative observée des éléments d'alliage à une rétention accrue de l'hydrogène à l'échelle atomique. Les voisins ont étudié l'effet de l'irradiation sur les propriétés magnétiques, la fragilisation par l'hydrogène et les revêtements protecteurs, mais n'ont pas considéré l'action conjointe de l'hélium, des impuretés et de l'hydrogène aux parois des cavités. Ici, on montre que la chimie de surface de la cavité est gouvernée non seulement par l'hélium, mais aussi par les éléments ségrégés, ce qui ouvre la voie à un contrôle de l'inventaire de tritium par la composition de l'alliage.
Le sujet pourrait évoluer vers une modélisation multi-échelle : de la structure électronique aux modèles cinétiques d'accumulation du tritium dans des conditions d'irradiation réalistes. Il serait intéressant de vérifier comment la ségrégation de Cr et Ta affecte la capture du deutérium et du tritium à des températures et doses plus élevées, et d'étudier d'autres éléments, par exemple le vanadium ou le manganèse. Une optimisation de la composition des aciers RAFM est possible pour réduire la rétention du tritium sans perte de propriétés mécaniques.
Les résultats influenceront la conception des matériaux pour le couvert et le divertor des réacteurs de fusion, ainsi que l'évaluation du cycle du combustible et de la sûreté.
La prochaine étape consiste à vérifier les prédictions des calculs par spectroscopie de désorption thermique sur des échantillons à ségrégation connue, puis à intégrer les énergies de liaison obtenues dans des modèles cinétiques d'accumulation du tritium.
Ce travail est directement lié au problème non résolu de la prédiction quantitative de la rétention du tritium dans les aciers irradiés : jusqu'à présent, on ne savait pas comment la ségrégation radiative modifie l'énergie de liaison de l'hydrogène aux interfaces. Les données obtenues permettent d'affiner les modèles du cycle du combustible et les exigences pour la production de tritium.
L'énergie de liaison de l'hydrogène sur une surface avec du tantale atteint 1,2 eV, ce qui est comparable à l'énergie de liaison dans la molécule d'eau ; de plus, la barrière de sortie de l'hydrogène peut augmenter de 0,3 eV, ce qui signifie qu'il faut une température d'environ 350 degrés plus élevée pour libérer un atome que pour le fer pur.