Ces images au microscope optique et électronique à balayage montrent des zones irradiées et non irradiées d'un alliage nickel-chrome. Le côté gauche montre des exemples de feuilles avec irradiation; au lieu de dégrader le matériau comme c'est presque toujours le cas, le rayonnement le rend en fait plus fort en réduisant le taux de corrosion. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Le rayonnement dégrade presque toujours les matériaux qui y sont exposés, accélérant leur détérioration et nécessitant le remplacement de composants clés dans des environnements à fort rayonnement tels que les réacteurs nucléaires. Mais pour certains alliages qui pourraient être utilisés dans les réacteurs de fission ou de fusion, l'inverse s'avère être vrai :des chercheurs du MIT et de Californie ont maintenant découvert qu'au lieu d'accélérer la dégradation du matériau, le rayonnement améliore en fait sa résistance, doublant potentiellement la durée de vie utile du matériau.
La découverte pourrait être une aubaine pour certains nouveaux, des conceptions de réacteurs de pointe, y compris les réacteurs à fission refroidis au sel fondu, et de nouveaux réacteurs à fusion tels que le modèle ARC développé par le MIT et Commonwealth Fusion Systems.
La découverte, ce qui a surpris les scientifiques nucléaires, est rapporté aujourd'hui dans le journal Communication Nature , dans un article du professeur de science et d'ingénierie nucléaires du MIT Michael Short, étudiant diplômé Weiyue Zhou, et cinq autres au MIT et au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Short dit que la découverte était un peu fortuite; En réalité, les chercheurs cherchaient à quantifier l'effet inverse. Au départ, ils voulaient déterminer dans quelle mesure le rayonnement augmenterait le taux de corrosion de certains alliages de nickel et de chrome pouvant être utilisés comme gainage pour les assemblages de combustible nucléaire.
Les expériences étaient difficiles à réaliser, car il est impossible de mesurer les températures directement à l'interface entre le sel fondu, utilisé comme liquide de refroidissement, et la surface de l'alliage métallique. Ainsi, il était nécessaire de comprendre les conditions indirectement en entourant le matériau d'une batterie de capteurs. Depuis le début, bien que, les tests ont montré des signes de l'effet inverse—corrosion, la principale cause de défaillance des matériaux dans l'environnement sévère d'une cuve de réacteur, semblait être réduit plutôt qu'accéléré lorsqu'il était baigné de rayonnement, dans ce cas un flux élevé de protons.
"Nous l'avons répété des dizaines de fois, avec des conditions différentes, " Short dit, "et à chaque fois nous avons obtenu les mêmes résultats" montrant une corrosion retardée.
Le type d'environnement de réacteur que l'équipe a simulé dans leurs expériences implique l'utilisation de sodium fondu, lithium, et du sel de potassium comme réfrigérant à la fois pour les barres de combustible nucléaire dans un réacteur à fission et pour l'enceinte à vide entourant un superchaud, plasma tourbillonnant dans un futur réacteur à fusion. Lorsque le sel fondu chaud est en contact avec le métal, la corrosion peut se produire rapidement, mais avec ces alliages nickel-chrome, ils ont constaté que la corrosion mettait deux fois plus de temps à se développer lorsque le matériau était baigné dans le rayonnement d'un accélérateur de protons, produisant un environnement de rayonnement similaire à celui que l'on trouverait dans les réacteurs proposés.
Être capable de prédire avec plus de précision la durée de vie utile des composants critiques du réacteur pourrait réduire le besoin de mesures préventives, remplacement anticipé des pièces, Court dit.
Analyse minutieuse des images des surfaces d'alliage affectées en utilisant la microscopie électronique à transmission, après avoir irradié le métal en contact avec du sel fondu à 650 degrés Celsius, (une température de fonctionnement typique pour le sel dans de tels réacteurs), contribué à révéler le mécanisme provoquant l'effet inattendu. Le rayonnement a tendance à créer des défauts plus minuscules dans la structure de l'alliage, et ces défauts permettent aux atomes du métal de diffuser plus facilement, affluant pour combler rapidement les vides créés par le sel corrosif. En effet, les dommages causés par les radiations favorisent une sorte de mécanisme d'auto-guérison dans le métal.
Il y avait eu des indices d'un tel effet il y a un demi-siècle, lorsque des expériences avec un premier réacteur expérimental à fission refroidi au sel ont montré une corrosion plus faible que prévu dans ses matériaux, mais les raisons en étaient restées un mystère jusqu'à ce nouvel ouvrage, Court dit. Même après les premières découvertes expérimentales de cette équipe, Court dit, "il nous a fallu beaucoup plus de temps pour en comprendre le sens."
La découverte pourrait être pertinente pour une variété de nouvelles conceptions proposées pour les réacteurs qui pourraient être plus sûres et plus efficaces que les conceptions existantes, Court dit. Plusieurs conceptions de réacteurs à fission refroidis au sel ont été proposées, dont un par une équipe dirigée par Charles Forsberg, chercheur principal au Département des sciences et de l'ingénierie nucléaires du MIT. Les résultats pourraient également être utiles pour plusieurs conceptions proposées pour de nouveaux types de réacteurs à fusion activement recherchés par les entreprises en démarrage, qui ont le potentiel de fournir de l'électricité sans émissions de gaz à effet de serre et beaucoup moins de déchets radioactifs.
"Ce n'est particulier à aucune conception, " Short dit. "Ça aide tout le monde."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
