Système laser permet la surveillance en temps réel des dommages radiatifs dans les matériaux

• Un nouveau système basé sur la spectroscopie de réseau transitoire détecte les changements induits par les radiations dans les matériaux en temps réel.
• Comparé aux techniques existantes qui prennent six mois pour caractériser complètement un matériau donné, il ne prend qu'une journée.

Les environnements à haute radiations, comme ceux trouvés dans les cœurs des centrales nucléaires, nécessitent des matériaux de très haute qualité. La microstructure, et donc la performance, de ces matériaux dans les installations nucléaires changent radicalement au fil des années d'exploitation.

La plupart des matériaux échouent en raison de la précipitation accrue, du gonflement volumique, de la dissolution d'inclusions balistiques, de la fissuration par corrosion sous contrainte assistée par irradiation, et de la ségrégation accrue.

Les méthodes existantes pour tester la capacité des matériaux à résister à de tels environnements hostiles ne sont pas très efficaces. Elles reposent sur l'approche « cuire et regarder », dans laquelle les matériaux sont soumis à des environnements à haute radiation puis retirés pour inspection rapprochée. Le processus est cependant si chronophage qu'il retarde le développement de matériaux avancés pour de nouveaux réacteurs.

Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche du MIT et des Sandia National Laboratories a construit un nouveau système qui peut suivre efficacement les changements induits par les radiations en temps réel, et fournir plus d'informations que les techniques conventionnelles.

Puisque 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 et de combien.

La nouvelle façon de tester les matériaux

Le nouveau système basé sur laser repose sur la spectroscopie de réseau transitoire (TGS) – une technique optique pour mesurer la propagation de quasi-particules. Elle peut détecter les changements physiques dans le matériau, y compris la diffusivité thermique et l'élasticité, sans endommager ni modifier ses propriétés.

L'équipe teste cette méthode depuis environ deux ans. Maintenant, le système est prêt à fournir des données précises qui peuvent aider les ingénieurs à comprendre comment les matériaux à l'intérieur des cuves de réacteur 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 la TGS pour observer de près les dommages causés par les radiations. Elle pourrait détecter si les propriétés du matériau ont changé au cours des années d'exploitation, comme sa capacité à répondre aux contraintes ou à conduire la chaleur.

Pour reproduire les environnements radiatifs, les chercheurs ont simulé les effets du bombardement de neutrons en utilisant des faisceaux d'ions, qui endommagent le matériau de manière similaire aux réacteurs réels mais sont plus sûrs à manipuler 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 aux 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 dans un matériau donné.

Puisque le système surveille les matériaux en temps réel, il est possible d'arrêter l'expérience à tout moment critique et d'étudier les dommages en détail. Cela permet également aux ingénieurs d'identifier les raisons mécanistes derrière ces défaillances.

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

Quelle suite ?

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 travaille également à améliorer davantage les capacités du système et à ajouter plus d'outils de diagnostic pour étudier plus de propriétés des matériaux exposés aux radiations.