FABRICATION, CHARACTERIZATION, AND IRRADIATION OF AN AUSTENITIC OXIDE DISPERSION STRENGTHENED STEEL SUITED FOR NEXT GENERATION NUCLEAR APPLICATIONS

As nuclear energy systems become more advanced, the materials encompassing them need to perform at higher temperatures for longer periods of time. In this Master’s thesis we experiment with an oxide dispersion strengthened (ODS) austenitic steel that has been recently developed. ODS materials have a small concentration of nano oxide particles dispersed in their matrix, and typically have higher strength and better extreme temperature creep resistance characteristics than ordinary steels. However, no ODS materials have ever been installed in a commercial power reactor to date. Being a newer research material, there are many unanswered phenomena that need to be addressed regarding the performance under irradiation. Furthermore, due to the ODS material traditionally needing to follow a powder metallurgy fabrication route, there are many processing parameters that need to be optimized before achieving a nuclear grade material specification. In this Master’s thesis we explore the development of a novel ODS processing technology conducted in Beijing, China, to produce solutionized bulk ODS samples with ~97% theoretical density. This is done using relatively low temperatures and ultra high pressure (UHP) equipment, to compact the mechanically alloyed (MA) steel powder into bulk samples without any thermal phase change influence or oxide precipitation. By having solutionized bulk ODS samples, transmission electron microscopy (TEM) observation of nano oxide precipitation within the steel material can be studied by applying post heat treatments. These types of samples will be very useful to the science and engineering community, to answer questions regarding material powder compacting, oxide synthesis, and performance. Subsequent analysis performed at Queen’s University included X-ray diffraction (XRD) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). Additional TEM in-situ 1MeV Kr2+ irradiation experiments coupled with energy dispersive X-ray (EDX) techniques, were also performed on large (200nm+) non-stoichiometric oxides embedded within the austenite steel grains, in an attempt to quantify the elemental compositional changes during high temperature (520oC) heavy ion irradiation.

Amplification d’impulsions brèves de haute énergie par effet Raman stimulé dans les fibres optiques

Le développement au cours des dernières décennies de lasers à fibre à verrouillage de modes permet aujourd’hui d’avoir accès à des sources fiables d’impulsions femtosecondes qui sont utilisées autant dans les laboratoires de recherche que pour des applications commerciales. Grâce à leur large bande passante ainsi qu’à leur excellente dissipation de chaleur, les fibres dopées avec des ions de terres rares ont permis l’amplification et la génération d’impulsions brèves de haute énergie avec une forte cadence. Cependant, les effets non linéaires causés par la faible taille du faisceau dans la fibre ainsi que la saturation de l’inversion de population du milieu compliquent l’utilisation d’amplificateurs fibrés pour l’obtention d’impulsions brèves dont l’énergie dépasse le millijoule. Diverses stratégies comme l’étirement des impulsions à des durées de l’ordre de la nanoseconde, l’utilisation de fibres à cristaux photoniques ayant un coeur plus large et l’amplification en parallèle ont permis de contourner ces limitations pour obtenir des impulsions de quelques millijoules ayant une durée inférieure à la picoseconde. Ce mémoire de maîtrise présente une nouvelle approche pour l’amplification d’impulsions brèves utilisant la diffusion Raman des verres de silice comme milieu de gain. Il est connu que cet effet non linéaire permet l’amplification avec une large bande passante et ce dernier est d’ailleurs couramment utilisé aujourd’hui dans les réseaux de télécommunications par fibre optique. Puisque l’adaptation des schémas d’amplification Raman existants aux impulsions brèves de haute énergie n’est pas directe, on propose plutôt un schéma consistant à transférer l’énergie d’une impulsion pompe quasi monochromatique à une impulsion signal brève étirée avec une dérive en fréquence. Afin d’évaluer le potentiel du gain Raman pour l’amplification d’impulsions brèves, ce mémoire présente un modèle analytique permettant de prédire les caractéristiques de l’impulsion amplifiée selon celles de la pompe et le milieu dans lequel elles se propagent. On trouve alors que la bande passante élevée du gain Raman des verres de silice ainsi que sa saturation inhomogène permettent l’amplification d’impulsions signal à une énergie comparable à celle de la pompe tout en conservant une largeur spectrale élevée supportant la compression à des durées très brèves. Quelques variantes du schéma d’amplification sont proposées, et leur potentiel est évalué par l’utilisation du modèle analytique ou de simulations numériques. On prédit analytiquement et numériquement l’amplification Raman d’impulsions à des énergies de quelques millijoules, dont la durée est inférieure à 150 fs et dont la puissance crête avoisine 20 GW.