Une meilleure façon de quantifier les dommages causés par les rayonnements dans les matériaux

C’était juste un morceau de ferraille assis à l’arrière d’un laboratoire du réacteur nucléaire du MIT, prêt à être éliminé. Mais c’est devenu la clé pour démontrer un moyen plus complet de détecter les dommages structurels au niveau atomique dans les matériaux – une approche qui facilitera le développement de nouveaux matériaux et pourrait potentiellement soutenir l’exploitation continue de centrales nucléaires sans émissions de carbone, qui contribuerait à atténuer le changement climatique mondial.

Un minuscule écrou en titane qui avait été retiré de l’intérieur du réacteur était exactement le type de matériau nécessaire pour prouver que cette nouvelle technique, développée au MIT et dans d’autres institutions, fournit un moyen de sonder les défauts créés à l’intérieur des matériaux, y compris ceux qui ont été exposés. aux radiations, avec une sensibilité cinq fois supérieure aux méthodes existantes.

La nouvelle approche a révélé qu’une grande partie des dommages qui se produisent à l’intérieur des réacteurs se situent à l’échelle atomique et, par conséquent, sont difficiles à détecter à l’aide des méthodes existantes. La technique fournit un moyen de mesurer directement ces dommages à travers la façon dont ils changent avec la température. Et il pourrait être utilisé pour mesurer des échantillons du parc de réacteurs nucléaires actuellement en activité, permettant potentiellement la poursuite de l’exploitation sûre des centrales bien au-delà de leur durée de vie actuellement autorisée.

Les résultats sont rapportés dans la revue Avancées scientifiques dans un article du spécialiste de la recherche du MIT et récent diplômé Charles Hirst Ph.D. ’22; les professeurs du MIT Michael Short, Scott Kemp et Ju Li ; et cinq autres à l’Université d’Helsinki, au Laboratoire national de l’Idaho et à l’Université de Californie à Irvine.

Plutôt que d’observer directement la structure physique d’un matériau en question, la nouvelle approche examine la quantité d’énergie stockée dans cette structure. Toute perturbation de la structure ordonnée des atomes dans le matériau, telle que celle causée par l’exposition aux rayonnements ou par des contraintes mécaniques, confère en fait un excès d’énergie au matériau. En observant et en quantifiant cette différence d’énergie, il est possible de calculer la quantité totale de dommages dans le matériau, même si ces dommages se présentent sous la forme de défauts à l’échelle atomique qui sont trop petits pour être imagés avec des microscopes ou d’autres méthodes de détection.

Le principe de cette méthode avait été élaboré en détail par des calculs et des simulations. Mais ce sont les tests réels sur cet écrou en titane du réacteur nucléaire du MIT qui ont fourni la preuve et ont ainsi ouvert la porte à une nouvelle façon de mesurer les dommages aux matériaux.

La méthode qu’ils ont utilisée est appelée calorimétrie différentielle à balayage. Comme l’explique Hirst, cela ressemble en principe aux expériences de calorimétrie que de nombreux étudiants effectuent dans les cours de chimie du secondaire, où ils mesurent la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau d’un degré. Le système utilisé par les chercheurs était « fondamentalement la même chose, mesurant les changements énergétiques. … J’aime l’appeler juste un four sophistiqué avec un thermocouple à l’intérieur. »

La partie numérisation consiste à augmenter progressivement la température un peu à la fois et à voir comment l’échantillon réagit, et la partie différentielle fait référence au fait que deux chambres identiques sont mesurées à la fois, une vide et une contenant l’échantillon étudié. . La différence entre les deux révèle des détails sur l’énergie de l’échantillon, explique Hirst.

« Nous élevons la température de la température ambiante jusqu’à 600 degrés Celsius, à un rythme constant de 50 degrés par minute », dit-il. Par rapport au récipient vide, « votre matériau sera naturellement en retard car vous avez besoin d’énergie pour chauffer votre matériau. Mais s’il y a des changements dans l’énergie à l’intérieur du matériau, cela changera la température. Dans notre cas, il y a eu une libération d’énergie lorsque les défauts se recombinent, et cela prendra un peu d’avance sur le four… et c’est ainsi que nous mesurons l’énergie dans notre échantillon. »

Hirst, qui a mené les travaux sur une période de cinq ans dans le cadre de son projet de thèse de doctorat, a découvert que contrairement à ce que l’on croyait, le matériau irradié a montré qu’il y avait deux mécanismes différents impliqués dans la relaxation des défauts du titane aux températures étudiées. , révélée par deux pics distincts en calorimétrie. « Au lieu d’un processus se produisant, nous en avons clairement vu deux, et chacun d’eux correspond à une réaction différente qui se produit dans le matériau », dit-il.

Ils ont également constaté que les explications des manuels sur le comportement des dommages causés par les radiations avec la température n’étaient pas exactes, car les tests précédents avaient principalement été effectués à des températures extrêmement basses, puis extrapolés aux températures plus élevées des opérations réelles du réacteur. « Les gens n’étaient pas nécessairement conscients qu’ils extrapolaient, même s’ils l’étaient complètement », dit Hirst.

« Le fait est que notre base de connaissances communes sur l’évolution des dommages causés par les radiations est basée sur un rayonnement électronique à très basse température », ajoute Short. « C’est juste devenu le modèle accepté, et c’est ce qui est enseigné dans tous les livres. Il nous a fallu un certain temps pour réaliser que notre compréhension générale était basée sur une condition très spécifique, conçue pour élucider la science, mais généralement non applicable aux conditions dans lesquelles nous veulent réellement utiliser ces matériaux. »

Maintenant, la nouvelle méthode peut être appliquée « aux matériaux extraits des réacteurs existants, pour en savoir plus sur la façon dont ils se dégradent avec le fonctionnement », explique Hirst.

« La chose la plus importante que le monde puisse faire pour obtenir une énergie bon marché et sans carbone est de maintenir les réacteurs actuels sur le réseau. Ils sont déjà payés, ils fonctionnent », ajoute Short. Mais pour rendre cela possible, « la seule façon de les garder sur la grille est d’avoir plus de certitude qu’ils continueront à bien fonctionner ». Et c’est là qu’intervient cette nouvelle façon d’évaluer les dégâts.

Alors que la plupart des centrales nucléaires ont été autorisées pour 40 à 60 ans d’exploitation, « nous parlons maintenant d’exploiter ces mêmes actifs jusqu’à 100 ans, et cela dépend presque entièrement de la capacité des matériaux à résister aux accidents les plus graves ». Court dit. Grâce à cette nouvelle méthode, « nous pouvons les inspecter et les retirer avant que quelque chose d’inattendu ne se produise ».

En pratique, les opérateurs de la centrale pourraient prélever un minuscule échantillon de matière dans les zones critiques du réacteur et l’analyser pour obtenir une image plus complète de l’état de l’ensemble du réacteur. Maintenir les réacteurs existants en marche est « la chose la plus importante que nous puissions faire pour maintenir la part d’énergie sans carbone à un niveau élevé », souligne Short. « C’est une façon dont nous pensons pouvoir le faire. »

Selon les chercheurs, le processus ne se limite pas à l’étude des métaux, ni aux dommages causés par les radiations. En principe, la méthode pourrait être utilisée pour mesurer d’autres types de défauts dans les matériaux, tels que ceux causés par des contraintes ou des ondes de choc, et elle pourrait également être appliquée à des matériaux tels que la céramique ou les semi-conducteurs.

En fait, dit Short, les métaux sont les matériaux les plus difficiles à mesurer avec cette méthode, et très tôt d’autres chercheurs ont continué à demander pourquoi cette équipe se concentrait sur les dommages aux métaux. C’était en partie parce que les composants du réacteur ont tendance à être en métal, et aussi parce que « c’est le plus difficile, donc, si nous résolvons ce problème, nous avons un outil pour tous les résoudre ! »

La mesure des défauts dans d’autres types de matériaux peut être jusqu’à 10 000 fois plus facile que dans les métaux, dit-il. « Si nous pouvons le faire avec des métaux, nous pouvons le rendre extrêmement applicable de manière omniprésente. » Et tout cela rendu possible par un petit morceau de bric-à-brac qui se trouvait au fond d’un laboratoire.

L’équipe de recherche comprenait Fredric Granberg et Kai Nordlund de l’Université d’Helsinki en Finlande ; Boopathy Kombaiah et Scott Middlemas au Laboratoire national de l’Idaho ; et Penghui Cao de l’Université de Californie à Irvine.