Lorsque des neutrons ou des ions accélérés bombardent un matériau, sa couche de surface subit des transformations physiques et chimiques spectaculaires. Le Centre national de recherche nucléaire de Swierk, en Pologne, a réussi à connaître en détail les processus se produisant dans de telles situations dans les polymères. Les connaissances recueillies ont été utilisées par les physiciens pour créer une méthode de production de super-étanchéités, ils ont également proposé un moyen simple et rapide de détecter les câbles dangereux dont l'isolant polymère commence à perdre ses propriétés isolantes.

Le fonctionnement sûr et fiable des réacteurs nucléaires, et à l'avenir également des réacteurs à fusion, dépend strictement de la qualité de leur câblage. Cependant, des recherches menées au Centre national de recherche nucléaire (NCBJ) de Świerk, en Pologne, montrent que les isolations de câbles en polymère, exposées à de fortes doses de rayonnement pendant des décennies, perdent progressivement leurs propriétés isolantes. Un groupe de physiciens du NCBJ, dirigé par le professeur Jacek Jagielski, a non seulement appris les détails de ce processus, mais a également proposé une technique facile à utiliser pour détecter les câbles dangereux.

L'équipe du Pr Jagielski traite depuis longtemps des problèmes liés à la modification de la couche superficielle des matériaux par des faisceaux d'ions. Il y a quelques années, l'attention des chercheurs s'est portée sur les joints polymères. L'une des entreprises polonaises était en difficulté à cette époque à cause des scellés dans l'équipement militaire fabriqué. Les machines ont été exportées vers un pays au climat tropical et pluvieux. Les joints des moteurs, en Pologne fonctionnant sans problèmes majeurs, ont commencé à surchauffer et à fuir dans les nouvelles conditions. Pendant ce temps, le contrat obligeait le fabricant à remplacer l'ensemble du bloc d'alimentation défectueux à cause d'un joint.

La surchauffe des joints utilisés dans les mécanismes mobiles est une conséquence du coefficient de frottement élevé des polymères à partir desquels ils sont généralement fabriqués. Le groupe du professeur Jagielski a décidé de vérifier si l'irradiation ionique affecte le coefficient de frottement. Il s'est avéré qu'une fine couche superficielle de polymère, d'environ un micromètre d'épaisseur, durcit considérablement sous l'effet du bombardement. Son coefficient de frottement a même diminué de dix fois, et ce malgré le fait qu'il s'est rapidement recouvert d'un réseau de fissures.

Une diminution significative de la valeur du coefficient de frottement des joints polymères signifie en pratique une diminution de l'usure des éléments mécaniques. Les mécanismes équipés de joints modifiés fonctionneront donc non seulement plus longtemps, mais aussi plus efficacement, d'autant plus que les fissures de surface peuvent être utilisées comme réservoirs de lubrifiant. Dans certains cas, tels que les actionneurs pneumatiques, la machine peut fonctionner plus rapidement, ce qui entraîne une augmentation de la productivité.

"Au cours des recherches sur les joints, nous avons remarqué que les propriétés électriques des polymères commençaient à changer en raison de défauts de rayonnement", explique le professeur Jagielski. "Il semblait donc naturel de se poser une autre question :qu'advient-il de l'isolation des câbles exposés aux rayonnements, si leur isolation est également en polymères ?"

La question peut sembler de niche, mais elle prend un sens différent à un moment où l'efficacité et la sûreté de l'énergie nucléaire commencent à être appréciées à nouveau. Les centrales nucléaires modernes sont conçues pour au moins 60 ans de fonctionnement, de plus en plus souvent avec la possibilité de les prolonger jusqu'à une centaine. Parallèlement, chaque réacteur doit être équipé de plusieurs milliers de kilomètres de câbles de plus en plus gros. Certains d'entre eux seront exposés pendant des décennies au bombardement neutronique émis lors de réactions nucléaires. Dans cette situation, la question sur le devenir des polymères qui garantissent leur isolation devient une question sur la sécurité énergétique de millions de personnes.

Dans les réacteurs nucléaires, les matériaux sont exposés aux neutrons et aux rayonnements gamma. Cependant, l'écrasante majorité des défauts dans le matériau irradié ne sont pas causés directement par les neutrons ou les photons, mais par les atomes qu'ils éliminent ou les liaisons atomiques rompues. En pratique, par conséquent, les défauts matériels provoqués par les neutrons ne diffèrent pas sensiblement de ceux initiés par les ions. Au lieu de mener des recherches fastidieuses dans le réacteur, l'équipe du NCBJ pourrait utiliser un prototype d'implanteur ionique industriel de sa propre conception.

Des matériaux isolants tels que le chlorure de polyvinyle (PVC), le téflon (PTFE) et divers types de caoutchouc (naturel, EPDM, NBR, SBR) ont été irradiés. Les chercheurs se sont intéressés à la composition chimique de la couche de surface modifiée, sa structure physique et sa topographie de surface. Les résultats des mesures et leurs conclusions viennent d'être présentés dans un long article publié dans le Journal of Applied Physics .

"Les polymères sont principalement composés de carbone et d'hydrogène", explique Anna Kosińska, la première auteure de l'article susmentionné, Ph.D. étudiant. "Les liaisons entre ces éléments sont parmi les plus faibles et elles sont rompues lors d'un bombardement avec des ions rapides. L'atome d'hydrogène libéré attrape son collègue de l'environnement et sous forme moléculaire il s'échappe du matériau dans l'environnement. Ce qui reste est du carbone amorphe ressemblant à l'adamantite, qui est capable de conduire l'électricité. Tout cela signifie que l'isolant polymère des câbles exposés aux radiations perdra ses propriétés isolantes avec le temps."

L'attention des physiciens du NCBJ a été attirée sur le fait que la couche superficielle du polymère commence à se contracter en raison du dégagement d'hydrogène. En conséquence, il devient plus dense que l'original et jusqu'à dix fois plus dur que l'original. Des recherches méticuleuses ont établi qu'il existe une corrélation claire entre les modifications des propriétés mécaniques de l'isolation du câble et sa résistance électrique. Pour savoir si l'isolation fonctionne correctement, il suffit de mesurer la dureté de l'isolation du câble avec un testeur de dureté portatif.

« Nous nous rendons compte que la méthode que nous proposons pour détecter les changements de résistance électrique des isolants polymères n'est pas parfaitement précise. Cependant, elle présente des avantages fonctionnels très importants :elle est simple, rapide et permet de déterminer quasi immédiatement si le câble testé devient dangereux. ", déclare le professeur Jagielski. + Explorer plus loin

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