Depuis un demi-siècle, des chercheurs ont vu des boucles d'atomes déplacés apparaître à l'intérieur de l'acier d'un réacteur nucléaire après exposition à des radiations, mais personne ne pouvait comprendre comment.

Maintenant, une simulation réalisée par des chercheurs de l'Université du Michigan, L'Université du Hunan (Chine) et l'Institut polytechnique Rensselaer ont montré qu'une onde de choc produit ces boucles en fer. Le résultat pourrait aider les ingénieurs à concevoir un meilleur acier résistant aux radiations pour les réacteurs, ou un acier plus résistant en général.

Fer et acier, comme la plupart des métaux, s'organisent en un réseau cristallin - un arrangement d'atomes basé sur un motif répété. Dans ce cas, c'est un cube avec un atome à chaque coin et un au centre. Le rayonnement et d'autres contraintes peuvent créer une variété de défauts.

Dans les défauts "boucle", les atomes déplacés forment des anneaux rugueux. Certaines boucles peuvent traverser le réseau, et leur mobilité signifie qu'ils ne gênent pas le cintrage de l'acier. Mais le défaut en question (appelé <100> boucle de luxation interstitielle) a tendance à rester en place. Placé de manière incontrôlée, ces boucles stationnaires provoquent de la fragilité, mais s'ils ont été placés délibérément, ils pourraient renforcer l'acier en améliorant sa rigidité.

"Maintenant que nous connaissons le mécanisme, nous pouvons réduire les dommages causés par les radiations en limitant l'énergie des particules auxquelles les matériaux sont exposés, " dit Qing Peng, chercheur au labo de Fei Gao, professeur de génie nucléaire et de sciences radiologiques.

"Nous pouvons également l'utiliser pour concevoir le défaut à l'intérieur des matériaux. En fonction de l'énergie, vous pouvez générer différents types de dislocations pour ajuster les propriétés du matériau."

Cinq explications antérieures sont en lice pour expliquer les mystérieuses boucles, mais aucune n'est particulièrement satisfaisante car elles nécessitent toutes des conditions particulières et des temps relativement longs pour créer les boucles.

Puisque les défauts apparaissent trop rapidement pour être mesurés, les chercheurs s'attendaient à pouvoir simuler le mécanisme sur un ordinateur. Mais cela ne s'est pas produit non plus. Ils supposaient que cela prenait trop de temps pour tracer leurs trajectoires en temps réel - il n'y avait tout simplement pas assez de puissance pour simuler tous ces atomes dans un temps raisonnable.

Cette dernière observation s'est avérée partiellement vraie :il y avait trop d'atomes à modéliser. Mais le processus lui-même était court; le problème était de faire le volume de fer assez grand pour obtenir la réaction.

"Si la simulation est trop petite, une particule de haute énergie passe juste à travers. Pas de réaction, " dit Peng.

L'équipe de Gao a créé un modèle informatique d'une boîte de 200 millions d'atomes de fer, disposés dans le treillis typique, et a claqué une particule de haute énergie dedans. Ce qu'ils ont vu était une puissante onde de choc déchirant le réseau, se ramifier dans des directions différentes.

Des millions d'atomes de fer ont été déplacés de leurs taches, et des millions d'entre eux sont retombés dans le réseau au fur et à mesure que la vague se dissipait. Restaient des centaines de défauts « ponctuels » dans lesquels des atomes isolés n'étaient pas à leur place – et une poignée de boucles. Beaucoup d'entre eux étaient des boucles qui peuvent voyager, qui ne sont pas une cause majeure de fragilité, mais souvent un ou deux étaient du type stationnaire.

Il s'est avéré que les boucles ont été créées lors de l'onde de choc initiale, un processus qui ne prend que 13 billions de seconde environ. Cette explication a été lancée il y a 40 ans, mais il a été utilisé pour expliquer les défauts qui apparaissaient dans les lignes plutôt que dans les boucles fermées.

Maintenant que le mécanisme est connu, une modélisation informatique similaire peut être utilisée pour recommander des conditions de fonctionnement pour les alliages d'acier dans des environnements avec rayonnement. Les particules moins énergétiques ne créeront pas d'ondes de choc suffisamment fortes pour produire ce défaut.

Ou, des défauts comme celui-ci peuvent être délibérément placés dans l'acier pour améliorer sa rigidité. Ces boucles d'atomes stationnaires, coincé entre d'autres atomes dans le cristal, rendre plus difficile la flexion de l'acier.