Les métaux voyagent dans le temps au Ion Accelerator Laboratory, une installation du département de génie nucléaire de la Texas A&M University et des chercheurs du groupe Ion Beam Laboratory du département accélèrent le rythme des alliages métalliques et des aciers.

Les chercheurs utilisent des ions comme substituts du rayonnement neutronique pour voir en peu de temps à quel point ces métaux sont stables après avoir enduré des décennies d'utilisation à l'intérieur d'un réacteur nucléaire.

"Nous prenons essentiellement ces alliages et les irradions avec des ions pour obtenir des dommages observés dans des conditions de type réacteur, " a déclaré Jonathan Gigax, un chercheur adjoint diplômé qui travaille sous la direction du chercheur principal du laboratoire, Professeur agrégé Dr Lin Shao. "C'est important car dans les installations de réacteurs actuelles, il faut des décennies pour atteindre les niveaux d'usure que ces métaux verront dans les réacteurs de la prochaine génération. Nous utilisons donc des accélérateurs d'ions car ils peuvent l'atteindre beaucoup plus rapidement."

Selon Gigax, il existe un certain nombre de différences entre les irradiations ioniques et neutroniques qui empêchent les comparaisons individuelles. Cependant, de nombreuses études anciennes et récentes montrent que certains comportements sont très similaires dans les deux environnements. Cela permet de qualifier la technique et permet aux chercheurs de cribler rapidement un grand nombre d'alliages candidats. Les résultats permettent de comprendre les propriétés uniques qui rendent certains alliages résistants aux rayonnements, de sorte que de nouveaux alliages peuvent être développés pour une utilisation dans la construction de réacteurs et contribuent à une utilisation efficace du combustible du réacteur. Pour atteindre une efficacité optimale, le réacteur doit fonctionner à un taux de combustion élevé, ce qui exerce une contrainte sur les métaux et alliages à l'intérieur du réacteur. Pour obtenir des combustions de carburant très efficaces, alliages qui peuvent résister aux changements microstructuraux dus aux dommages produits par le rayonnement neutronique, également connu sous le nom de fluage et gonflement, sont nécessaires pour assurer une longue durée de vie au réacteur.

"Un bon exemple de phénomènes de fluage serait un filament dans une ampoule à incandescence, " a déclaré Gigax. " Le filament reste à une température très élevée pendant une longue période de temps et se déforme lentement jusqu'à ce qu'il se brise. La même chose peut arriver avec des aciers à haute température ou sous de fortes contraintes, l'idée était donc que nous devions développer un alliage qui ne présente pas de fluage dans une large mesure. »

Les aciers utilisés dans le réacteur, par fluage et gonflement, subir des déformations et modifier le comportement de fonctionnement du réacteur. Les métaux monocristallins sont résistants au fluage mais sont coûteux à fabriquer et présentent généralement un gonflement des vides plus important que leurs homologues polycristallins. Les grains très petits offrent une meilleure résistance au gonflement mais rendent l'acier sensible au fluage.

Gigax compare les phénomènes au sable dans un sablier, où les grains de sable sont très fins et capables de s'écouler d'un bout à l'autre du sablier. Les métaux qui ont de petits grains sont plus sensibles au fluage car les grains sont capables de se déplacer plus facilement à haute température et sous contrainte, surtout en étant bombardé de neutrons, par opposition aux grains plus gros qui offrent plus de résistance. Pour résoudre ce problème, les oxydes peuvent être alliés au métal pour fixer ces frontières et rendre le mouvement de ces grains plus difficile, tout en conservant les avantages d'une structure à grain fin en ce qui concerne le gonflement des vides. Selon Gigax, cela reviendrait à épingler des grains de sable en place dans le sablier, empêchant les grains de bouger.

"Une fois que vous obtenez tous ces résultats, il y a deux choses que nous pouvons faire, " a déclaré Gigax. " Nous pouvons examiner ce qui rend un alliage meilleur que les autres, puis guider le développement ultérieur de cet alliage en fonction de ses qualités positives, ou une fois que vous avez identifié un bon alliage, vous pouvez consacrer des ressources à le mettre à l'intérieur d'un réacteur nucléaire pour le tester dans les conditions exactes. »

Grâce à l'utilisation des accélérateurs d'ions, l'engagement de temps et de coûts pour les essais de réacteur est considérablement réduit, permettant à la recherche d'avancer efficacement. En plus d'assurer une plus longue durée de vie et une durabilité de ces matériaux de réacteur, ces applications présentent également des avantages pour le consommateur.

« Nous contribuons aux besoins énergétiques de la nation, " a déclaré Gigax. " En contribuant au développement de matériaux capables de supporter le stress de rayonnement supplémentaire lié au fonctionnement à des températures plus élevées, des consommations de carburant plus efficaces, ce qui se traduit par plus de production d'énergie par source de carburant, nous aidons à rendre l'énergie moins chère et plus accessible pour le consommateur moyen."

La recherche est financée par le département américain de l'Énergie, dont l'intérêt pour ce projet laisse à Gigax le sentiment que lui et d'autres membres de l'équipe de recherche font un travail positif qui profite à l'ensemble de la communauté.

"Une grande partie de notre financement provient de sources gouvernementales, " a déclaré Gigax. " L'idée ici est qu'en étant financés par le biais de ces projets, nous sommes très soucieux des intérêts de la communauté et qui s'associent bien à l'esprit Aggie. En tant qu'Aggies, c'est bien de sentir que nous servons les intérêts de la communauté."