[PDF] Les matériaux au coeur du processus dinnovation

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N° 59

Été 2010

ISSN 0298-6248

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010clefs

N° 59

Été 2010

ISSN 0298-6248Clefs CEA N°59 ... ÉTÉ 2010

Image principale de couverture

La plupart des programmes du CEA exigent une maîtrise préalable de matériauxinnovants. Conscient des enjeux, mais ausside limportance des challenges à releverpour ces matériaux situés au coeur de la performance des composants, le CEA

a mis en place un programme transversal.

P.-F. Grosjean/CEA - P. Avavian/CEA -

P. Stroppa/CEA - Artechnique/CEAImages en médaillonhaut:

Le microscope électronique à Très Haute Tension (THT) du CEA/Saclayconstitue une installation assez unique pour simuler/observer une partie des effets de lirradiation neutronique sur les matériaux de gainage et autrescomposants de cœur sujets à lirradiationneutronique en service, que ce soit pour les REL, les RNR ou les RNR-G.P. Stroppa/CEA

bas: Cellules EHT tubulaires.Développement de cellules de 600 cm 2 pour larchitecture innovante coaxiale.

Dépôt des électrodes par enduction.

P. Stroppa/CEA

Pictogramme des pages intérieures

Architecture composite typique

dun réservoir dhydrogène réalisé par enroulement filamentaire. Cette technologie permet la dépose de couches successives de fibres de carbone imprégnées de résine avec des angles variables définis pour un comportement thermomécanique optimal de la structure.

P. Stroppa/CEA

Revue éditée par le CEADirection de la communicationBâtiment Siège 91191 Gif-sur-Yvette Cedex - (France) Tél.: 0164501000Fax (rédaction): 0164501722

Directeur de la publicationXavier Clément

Rédactrice en chefMarie-José Loverinimarie-jose.loverini@cea.fr Rédactrice en chef adjointeMartine Trocelliermartine.trocellier@cea.fr

Comité scientifique Bernard Bonin, Christian Charissoux,Gilles Damamme, Céline Gaiffier, Étienne Klein, François Pupat, Gérard Sanchez

IconographieFlorence Klotz

Suivi de fabricationLucia Le Clech

AbonnementLabonnement à la revue

Clefs CEA

(version papier) est gratuit.

Les demandes dabonnement doivent être

adressées, de préférence par Internet,

à laide du formulaire disponible

à ladresse: http://www.cea.fr

ou par télécopie au 0164502001

ISSN 0298-6248Dépôt légal à parution

RéalisationEfil...3 impasse Pellerault...37000 ToursTél.: 02 47 47 03 20...www.efil.fr

Imprimerie Gilbert-Clarey (Chambray-lès-Tours)

Réalisation des supports électroniquesCalathea Paris - Tél. : 01 43 38 16 16ISSN 1625-9718Clefs CEA(en ligne)

À lexclusion des illustrations, la reproduction totale ou partielle des informations contenues dans ce numéro est libre de tous droits, sous réserve de laccord de la rédaction et de la mention dorigine.

© 2010 CEA

RCS Paris B 775 685 019 Siège social: Bâtiment Le Ponant D,25 rue Leblanc, 75015 Paris

803Introduction, par Bernard Bonin

103Des innovations pour les matériaux

de lassemblage combustible des réacteurs à eau légère, par Jean-Christophe Brachet,

Marion Le Flem et Didier Gilbon

143Les expériences numériquesModélisation multiéchelle desmatériaux: de l

ab initioà la cinétique, par François Willaime, Thierry Deutsch et Pascal Pochet

I. LES MATÉRIAUX POUR LE NUCLÉAIRE

173L'élaboration de verres nucléaires

en creuset froid, par Roger Boën

223Le comportement à long terme des

verres pour le confinement des déchets,

par Stéphane Gin243Lire les structuresLa RMN du solide pour observerles verres à l'échelle atomique,

par Thibault Charpentier

263Des composites SiC/SiC pour

les gaines de combustible des RNR-G, par Patrick David, Fabienne Audubert,

Valérie Chaumat, Cédric Sauder

et Lionel Gélébart

313Les alliages ODS pour les structures

sous irradiation, par Yann de Carlan

353Simuler expérimentalement

Étude du comportement sous irradiation

des matériaux nucléaires: apport de la plateforme JANNUS, par Patrick Trocellier, Sandrine Miro et Yves Serruys

383Des barrières environnementales

pour milieux extrêmes, par Frédéric Sanchette, Cédric Ducros,

Karine Wittmann-Ténèze, Luc Bianchi

et Frédéric Schuster

423De l'intérêt des solides mésoporeux

pour le nucléaire, par Xavier Deschanels,

Frédéric Goettmann, Guillaume Toquer,

Philippe Makowski et Agnès Grandjean

473Explorer les surfacesLa microscopie à force atomique:une technique puissante et polyvalentepour étudier les matériaux,

par Jacques Cousty

2X3Avant-propos

par Bernard Bigot, 4

X3Enjeux, avenues de progrès et priorités

du programme transversal sur les matériaux avancés au CEA, par Frédéric Schuster Les matériaux aucœur du processusdinnovation 17 46
28

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 20101

Acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le Commissariat à lénergie atomique

et aux énergies alternatives intervient dans quatre grands domaines : les énergies décarbonées, la défense

et la sécurité globale, les technologies pour linformation, et les technologies pour la santé.

Pour être au plus haut niveau de la recherche, le CEA compte plusieurs atouts: une recherche fondamentale

dexcellence, une culture croisée ingénieurs-chercheurs, propice aux synergies entre recherche fondamentale

et innovation technologique; des installations exceptionnelles (super-calculateur, réacteurs de recherches,

grands instruments de la physique, lasers de puissance...); enfin, une forte implication dans le tissu industriel

et économique. Le CEA est implanté sur 10 centres répartis dans toute la France. Il développe de nombreux

partenariats avec les autres organismes de recherche, les collectivités locales et les universités. À ce titre,

le CEA est partie prenante de la mise en place dalliances nationales coordonnant la recherche française dans

les domaines de l'énergie (ANCRE), des sciences de la vie et de la santé (AVIESAN), des sciences et technologies

du numérique (ALLISTENE) et des sciences de l'environnement (AllEnvi). Par ailleurs, une importance particulière

est portée à lenseignement et à linformation du public, afin de favoriser le transfert des connaissances et le débat

sciences/société. Reconnu comme un expert dans ses domaines de compétences, le CEA est pleinement inséré

dans lespace européen de la recherche et exerce une présence croissante au niveau international.

Les termes figurant dans le glossaire (p.141) apparaissent en bleudans les textes à leur première occurrence.

Les noms apparaissant en vertrenvoient à la page 137.

Précisions

Le CEA, acteur majeur en matière de

recherche, de développement et d'innovation III. DES MATÉRIAUX POUR LES TECHNOLOGIESDE LINFORMATION ET DE LA SANTÉ

923Introduction, par Amal Chabli

943Le diamant, matériau ultime pour

la fabrication de capteurs, par Philippe Bergonzo et ses collaborateurs

100 Les films minces nanostructurés

par voie Sol-Gel, par Philippe Belleville

106 Nanotubes et matériaux

bidimensionnels carbonés pour la microélectronique, par Jean-Christophe P. Gabriel

112Analyser les surfaces

XPEEM, une technique d'analyse

de surface parfaitement adaptée aux matériaux innovants, par Nick Barrett et Olivier Renault

115 Substrats et matériaux: course

à la miniaturisation,

par Jean-Jacques Aubert, Thierry

Billon, Laurent Clavelier , Olivier

Demolliens, Jean-Michel Hartmann,

Didier Louis et François Martin

100
7480
II. LES MATÉRIAUX DÉDIÉS AUX NOUVELLESTECHNOLOGIES POUR LÉNERGIE

503Introduction, par Hélène Burlet

523La pile à combustible PEMFC :

une solution très crédible, par Joël Pauchet, Arnaud Morin,

Sylvie Escribano, Nicolas Guillet,

Laurent Antoni et Gérard Gebel

603LEHT, un procédé de production de

lhydrogène très prometteur, par Julie Mougin, Emmanuel Rigal,

Julien Vulliet et Thierry Piquero

663Li-ion: une technologie de pointe

pour de nouveaux accumulateurs performants et innovants, par Sébastien Martinet et Sébastien Patoux

723Des systèmes de stockage robustes

et sûrs pour lhydrogène, par Fabien Nony

763Lénergie photovoltaïque monteen puissance,

par Philippe Thony, Renaud Demadrille et Emmanuel Hadji

843Nanomatériaux et maîtrise des risquesUne approche "intégrée»,

par Rémy Maximilien,

Frédéric Schuster, Yves Sicard

et François Tardif

122 Des matériaux intégrés pour de

nouvelles fonctions radiofréquence sur le silicium, par Bernard Viala et Emmanuel Defaÿ

127 Fonctionnalisation des surfaces:

de lélectronique organique aux capteurs et biocapteurs, par Serge Palacin

132 De nouveaux biomatériaux

à haute valeur ajoutée,

par Carole Mathevon et Vincent Forge

137 Institutions et organismes:

qui fait quoi?

141 Glossaire

Avant-propos

a disponibilité de matériaux répondant à des spécifications toujours plus exigeantes en termes de performances techniques spéci- fiques, de fiabilité, d"économie d"élaboration, de durabilité, d"impact environnemental et de capa- cité de recyclage, figure au cœur du processus d"inno- vation dans lequel le CEA est engagé. Cette capacité d"innovation repose sur la conception originale de composants avancés pour les nouvelles technologies de la Défense et de la sécurité globale, de l"énergie, de l"information et de la santé avec bien souvent un rôle clé joué par ces matériaux. Conscient de ces enjeux, le CEA a toujours eu la volonté de développer la science des matériaux pour faire face aux nombreux défis de ses programmes. Même si, au cours du temps, les modalités de son organisation dans ce domaine revê- taient des formes diverses, les matériaux ont repré- senté une préoccupation forte et constante ainsi qu"en témoigne cette revue. Depuis 2006, c"est au Programme " Matériaux avan - cés» qu"incombe la mission d"animation et de structu- ration de la transversalité dans le domaine, trans versalité si nécessaire à l"émergence d"idées nouvelles et de

nouveaux concepts, requérant souvent la contributionde plusieurs disciplines. Ce pro gramme a notamment

pour mission d"amplifier le couplage entre la recherche amont et les développements technologiques mais aussi de susciter ou de renforcer les indispensables alliances avec les meilleurs partenaires. Dans le domaine de l"énergie, le CEA contribue très activement à deux types de R&D sur les matériaux qui ont certes des points communs-faire appel à la meilleure science, avoir des feuilles de route claires et pertinentes -mais surtout des différences qui ne sont pas culturelles mais intrinsèques et qui n"empêchent en rien une fertilisation croisée. Dans le domaine du nucléaire, le retour d"expérience pour une application industrielle est, par nature, lent-les projets sont à très long terme. Dans ce contexte, il s"avère nécessaire de développer une science prédictive du comportement des matériaux sur des temps longs et des expériences accélérées pour simuler, par exemple, les effets de l"irradiation des matériaux. Cette science des maté- riaux du nucléaire nécessite également des moyens lourds d"élaboration ainsi que des moyens adaptés de caractérisation, de préférence à une échelle pouvant être confrontée avec les résultats de la simulation. Dans le domaine des matériaux pour les nouvelles technologies de l"énergie, le photovoltaïque, le stoc- kage de l"électricité, la filière hydrogène, le retour d"expérience est plus rapide et la concurrence, entre les nombreux acteurs, sévère. Même si les échelles de temps sont différentes, il existe néanmoins des domaines où la fertilisation croisée entre NTE et nucléaire est souhaitable. Il s"agit, en particulier, des procédés d"élaboration, de la simulation numérique ou encore de la caractérisation avancée. La simulation numérique dans le domaine des matériaux connaît, depuis une quinzaine d"années, un formidable essor lié au caractère prédictif des calculs de structures électroniques. Le CEA est présent dans ce domaine au meilleur niveau. Les propriétés physiques et chimiques particulières des matériaux dans le domaine de l"in- formation et de la santé sont aussi au cœur du fonc- tionnement des dispositifs conçus pour répondre aux besoins industriels et sociétaux. Le développement des nanotechnologies au service de l"ingénierie des matériaux laisse entrevoir de nom breuses avancées permettant d"élargir considérablement la palette des

propriétés des matériaux, mais surtout d"économiserLes matériaux au coeur du processus dinnovation

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 20102

"Toutes ces avancées dans le domaine des matériaux, le CEA ne les envisage pas seul, mais très souvent à travers des partenariats forts: laboratoires communs, plates-formes technologiques, alliances.» L les matières premières, avec le bénéfice attendu en termes de coût et de disponibilité durable des ressources. Cette recherche sur les nanomatériaux, le CEA l"a voulue "intégrée», prenant en compte, dès le début, la maîtrise des risques et l"ensemble du cycle de vie. Cette approche fait partie de la culture du CEA. Toutes ces avancées dans le domaine des matériaux, le CEA ne les envisage pas seul, mais très souvent au travers de partenariats forts : laboratoires communs, platesformes technologiques, alliances. Les acteurs de l"Alliance nationale de coordination de la recherche pour l"énergie (Ancre) ont clairement identifié les matériaux comme un secteur stratégique pour l"en-

semble des technologies de l"énergie. Il en va de mêmeà l"échelle internationale, en particulier au sein de

l"European Energy Research Alliance(EERA) et de plusieurs platesformes technologiques européennes. Je remercie vivement tous ceux qui ont contribué à la rédaction de cette très intéressante revue et souhaite à chacun de ses lecteurs de trouver là une source d"inspi- ration et de motivation renouvelée pour les sciences des matériaux pour lesquelles notre pays, comme l"Europe toute entière, doit amplifier les efforts faits en leur faveur. >Bernard Bigot

Administrateur général du CEA

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 20103

L. GODART/CEA

P. Avavian/CEA

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 20104Les matériaux au cœur du processus dinnovation La plupart des programmes du CEA, notamment ceux en charge de la préparation des énergies du futur (fission, fusion, énergies alternatives et efficacité énergétique),

exigent une maîtrise préalable de matériaux innovants, que ce soit au niveau de la synthèse,

de la prévision et du contrôle des propriétés ou de la prédictibilité du comportement sous

diverses contraintes, parfois sévères, et dans la durée. Conscient des enjeux, mais aussi de

limportance des challenges à relever pour ces matériaux situés au cœur de la performance

des composants, le CEA a mis en place un programme transversal "matériaux avancés».Enjeux,avenues de progrès

et priorités du programme transversal sur les matériaux avancésau CEA L e programme transversal " matériaux avancés» du CEA ambitionne de coupler la productionde connaissances scientifiques ou technologiques, en amont, avec les programmes orientés sur les applica- tions dans les secteurs où la fertilisation croisée

demeure possible (procédés, simulation, caractérisa-tion). Il ambitionne également d"assurer la pérennité,

l"évolution, l"adaptation au besoin, de la capacité tech- nologique du CEA dans le domaine des matériaux avancés. Souvent considérés par les concepteurs de systèmes complexes comme "l"intendance qui doit suivre», les matériaux figurent pourtant au cœur du processus d"innovation, en particulier pour les éner- gies du futur. Comme ces matériaux ne se trouvent que rarement tout prêts " sur une étagère», les cher- cheurs doivent donc les concevoir sur mesure, en fonc- tion de l"application visée, et cela, à un coût acceptable, dans des conditions de respect de l"environnement et d"économie maximale des matières premières. Né d"une analyse poussée des forces mais éga lement des faiblesses, des risques, des opportunités, le programme transversal "matériaux avancés» s"est forgé une stratégie qu"il décline en dix priorités. Chacune vise à renforcer l"intégration de la recherche mais aussi à construire des passerelles entre les diverses disciplines touchant aux matériaux, souvent très cloisonnées -l"innovation en rupture se trouvant habituellement au confluent des cultures. Afin de développer une approche cohérente dans les secteurs clés, le "programme transversal» a entrepris la struc- turation de quatre plans de développement impli- quant l"ensemble des pôles du CEA dans les domaines de la métallurgie haute performance, des composites et des céramiquesavancées, de l"ingénierie des surfaces et, enfin, dans le domaine de la synthèseet de l"inté- gration d"édifices nanométriques. Une animation scientifique s"est mise en place autour de ces plans de développement. Aujourd"hui, elle fédère plus de

450 chercheurs au sein du CEA.Des matériaux pour les réacteursdu futur

En France, le développement de l"énergie nucléaire exige une connaissance de plus en plus approfondie des matériaux constituant les structures et les assem- blages combustibles destinés aux réacteurs nucléaires. Installation de revêtement sous vide pour des applications de barrières environnementales.

CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 20105

Le CEA doit prévoir leur vieillissement dans un contexte d"allongement de la durée de vie des réac- teurs. Qu"il s"agisse des réacteurs de la 4 e génération ou des futurs réacteurs defusion, le fonctionnement de ces installations appelle la conception, la fabrica- tion et la qualification de matériaux à hautes perfor- mances, dotés de limites de résistance accrues, en vue d"une utilisation au sein de milieux extrêmement agressifs combinant souvent haute température, forte irradiationet corrosion. Repousser les limites actuelles de la compréhension du comportement des matériaux de structure et de combustible, à l"échelle sub micronique, figure comme une étape indispensable pour: améliorer les prédictions sur la robustesse de com - portement des matériaux dans les domaines où l"acqui sition expérimentale des données reste difficile; développer des matériaux innovants, capables de répondre à des cahiers des charges particulière- ment sévères, élaborés pour les réacteurs du futur (Génération IV, fusion), tout en orientant les études de façon à éviter des étapes de recherche et de déve- loppement trop longues et coûteuses, mais aussi de réduire les délais de qualification des matériaux. Ces défis majeurs appellent deux types d"approches complémentaires. L"une, empirique, repose sur le champ expérimental et l"identification des lois de comportement; l"autre, théorique, passe par une compréhension systématique des phénomènes phy si - ques mis en jeu et par leur modélisationdestinée à mieux guider l"expérience nécessaire à la validation des modèles.

La métallurgie de haute performance occupe une

place importante dans les problématiques posées par l"optimisation des systèmes nucléaires de la deuxième et de la troisième génération, mais également par le développement de matériaux résistant aux condi- tions extrêmes de la quatrième génération de réac- teurs de fissionou du futur réacteur de fusion. Parmi les grands objectifs de ce plan de développement, figure d"abord l"établissement d"une filière indus- trielle d"élaboration d"aciers nanorenforcés. Celle-ci recouvre, des études, très en amont, sur l"évolution des caractéristiques métallurgiques des matériaux en fonction de leurs paramètres d"élaboration ou des matériaux se trouvant sous l"influence de sollicita- tions extrêmes comme l"irradiation. Ce plan concerne également des aspects très technologiques comme l"extrapolation, à l"échelle pilote, voire indus- trielle, des procédés de mécanosynthèse ou le déve- loppement de technologies d"assemblage sans fusion. Enfin, ce plan prévoit l"investigation de routes métal- lurgiques alternatives au broyage, qui utilisent parfois des procédés issus du domaine de traitement de surface. Un autre de ses volets concerne l"évaluation de nouvelles technologies de consolidation et de frit- tage des poudres (par exemple, le Spark Plasma Sintering), de mise en forme proche des côtes (direct manufacturing), de réalisation de matériaux à gradient de composition et donc de propriétés. Enfin, ce plan développera nécessairement une caractérisation adaptée aux différentes échelles de la simulation numérique ainsi que des outils de caractérisation in situet en environnement de fonc- tionnement. Les céramiques: de laéronautique au nucléaire En ce qui concerne le développement de composites et de céramiques avancées, dans un premier temps, l"effort porte sur le développement de composites à matrices céramiques (CMC). Celles-ci devront satisfaire aux exigences extrêmes des applications nucléaires, souvent beaucoup plus contraignantes que celles dédiées au domaine aérospatial par exemple- en particulier, le problème d"étanchéité aux gaz de fission. En effet, ces applications nucléaires ne peuvent utiliser directement les produits à base de carbure de silicium (SiC/SiC) issus de l"industrie aéronautique car leurs propriétés sont insuffisantes. D"où le développement de matériaux spécifiques nuclear grade, dotés de propriétés thermomécaniquesd"étanchéité aux gaz de fission et de non-réactivité vis-à-vis du combustible. Pour s"évader des voies classiques d"élaboration comme le

CVI (pour Chemical Vapor Infiltration), les

chercheurs explorent de nouvelles routes technolo- giques alternatives-par exemple, les procédés de calé- faction rapide ou les procédés mettant en œuvre des nanopoudres. Enfin, le CEA développe une veille scientifique active sur les céramiques présentant un "caractère ductile», à haute température, ainsi qu"une veille stratégique sur la maîtrise de la fabrication de composants clefs comme les fibres céramiques hautes performances. Lingénierie des surfaces à haute performance Pour les programmes du CEA, il s"agit d"une discipline stratégique. Son premier objectif vise au développe- ment de barrières environnementales de très hautes performances pour les milieux extrêmes : corrosion, hautes températures, irradiation, composants face au plasmadans le cas de la fusion... Autant de sollicita- tions qui parfois se combinent. Les chercheurs tentent une approche moins empirique pour le développe- ment de nouveaux traitements de surface en bénéfi- ciant des apports de la simulation numérique pour concevoir des surfaces "à la demande», en fonction d"un environnement de travail donné. Ce secteur de l"ingénierie des surfaces a considérablement évolué

P. Stroppa/CEA

Élaboration de revêtements nanostructurés par projection thermique.

A. Gonin/CEA

Dipositif de laboratoire pour la synthèse de nanopoudres utilisant la technologie de pyrolyse laser.

C. Dupont/CEA

Les nanotubes de

carbone sont disposés en tapis superposés,quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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