Le nouveau système laser peut surveiller en continu les dommages causés par les radiations aux matériaux

• Un nouveau système basé sur la spectroscopie à réseau transitoire détecte les modifications induites par les rayonnements sur les matériaux en temps réel.
• Par rapport aux techniques existantes qui prennent six mois pour caractériser complètement un matériau donné, cela ne prend qu'une journée.

Les environnements à fort rayonnement, comme ceux que l'on trouve dans le cœur des centrales nucléaires, nécessitent des matériaux de très haute qualité. La microstructure, et donc les performances, de ces matériaux dans les centrales nucléaires changent radicalement au fil des années d'exploitation.

La plupart des matériaux échouent en raison d'une précipitation accrue, d'un gonflement volumétrique, d'une dissolution des inclusions balistiques, d'une fissuration par corrosion sous contrainte assistée par irradiation et d'une ségrégation accrue.

Les méthodes existantes pour tester la capacité des matériaux à résister à des environnements aussi difficiles ne sont pas très efficaces. Ils s'appuient sur une approche « cuisiner et regarder », dans laquelle les matériaux sont soumis à des environnements à rayonnement élevé, puis retirés pour une inspection minutieuse. Le processus, cependant, prend tellement de temps qu'il retarde le développement de matériaux avancés pour de nouveaux réacteurs.

Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche du MIT et des laboratoires nationaux de Sandia a mis au point un nouveau système capable de suivre efficacement les changements induits par les rayonnements en temps réel et de fournir plus d'informations que les techniques conventionnelles.

Étant donné que de nombreuses installations nucléaires approchent de la fin de leur durée de vie opérationnelle, la technologie pourrait aider à décider quelles centrales nucléaires peuvent être prolongées en toute sécurité de combien.

La nouvelle façon de tester les matériaux

Le nouveau système laser repose sur la spectroscopie à réseau transitoire (TGS) – une technique optique pour mesurer la propagation des quasiparticules. Il peut détecter les changements physiques dans le matériau, y compris la diffusivité thermique et l'élasticité, sans endommager ou modifier ses propriétés.

L'équipe teste cette méthode depuis environ deux ans. Désormais, le système est prêt à fournir des données précises qui peuvent aider les ingénieurs à comprendre comment les matériaux à l'intérieur des cuves des réacteurs se dégradent au fil du temps.

Référence :ScienceDirect | doi:10.1016/j.nimb.2018.10.025 | MIT

C'est la première fois que quelqu'un utilise le TGS pour observer de près les dommages causés par les radiations. Il pourrait détecter si les propriétés du matériau ont changé au cours des années d'exploitation, telles que sa capacité à répondre aux contraintes ou à conduire la chaleur.

Pour reproduire les environnements de rayonnement, les chercheurs ont simulé les effets du bombardement de neutrons à l'aide de faisceaux d'ions, qui endommagent le matériau de la même manière que les réacteurs réels, mais sont plus sûrs à utiliser et beaucoup plus faciles à contrôler. Ils ont utilisé un accélérateur d'ions de 6 mégavolts pour simuler des années d'exposition aux neutrons en quelques heures.

Le nouveau système installé et testé au Sandia National Labs | Crédit image :Cody Dennett

Les mesures sont effectuées en simulant les vibrations du matériau à l'aide d'un faisceau laser puis en observant ces vibrations à la surface à l'aide d'un autre laser. Cette mesure peut également être utilisée pour déterminer d'autres propriétés connexes, telles que l'accumulation de dommages et les défauts d'un matériau donné.

Étant donné que le système surveille les matériaux en temps réel, il est possible d'arrêter l'expérience à tout moment critique et d'étudier le ou les dommages en détail. Cela permet également aux ingénieurs d'identifier les raisons mécaniques derrière ces échecs.

Les méthodes traditionnelles mettent des mois à trouver le facteur initial qui a déclenché la dégradation. Le nouveau système, en revanche, pourrait faire de même en quelques heures. Selon le rapport, la caractérisation complète d'un matériau donné ne prend qu'une journée, alors que les techniques existantes prennent près de six mois.

Et ensuite ?

Jusqu'à présent, les chercheurs ont testé leur système sur deux métaux purs :le tungstène et le nickel. Dans les mois à venir, ils l'utiliseront pour tester d'autres métaux et divers types d'alliages.

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L'équipe s'efforce également d'améliorer encore les capacités du système et d'ajouter davantage d'outils de diagnostic pour étudier davantage de propriétés des matériaux exposés aux rayonnements.