Les matériaux exposés à un environnement à fort rayonnement, comme l'intérieur d'une cuve de réacteur nucléaire, peuvent progressivement se dégrader et s'affaiblir. Mais pour déterminer exactement les dommages subis par ces matériaux, il faut généralement prélever un échantillon et le tester dans des installations spécialisées, un processus qui peut prendre des semaines.

Une méthode analytique développée par des chercheurs du département de chimie du MIT et appliquée par des membres du laboratoire des matériaux nucléaires à mésoéchelle du MIT pourrait changer cela, permettant potentiellement une surveillance continue de ces matériaux sans qu'il soit nécessaire de les retirer de leur environnement radiologique. Cela pourrait considérablement accélérer le processus de test et réduire le remplacement préventif de matériaux qui sont en fait sûrs et utilisables.

Les résultats sont rapportés cette semaine dans le journal Examen physique B , dans un article de l'étudiant diplômé Cody Dennett, professeur adjoint de science et d'ingénierie nucléaires Michael Short, et six autres.

Lorsqu'il s'agit de mesurer les dommages causés par les radiations aux matériaux, Court dit, "la plupart des moyens actuels sont lents et coûteux." Par exemple, la méthode considérée comme l'étalon-or pour ces tests, microscopie électronique à transmission (MET), produit des données complètes sur de nombreux défauts du matériau qui sont responsables des modifications de ses propriétés. Mais tous les défauts qui affectent les propriétés du matériau ne sont pas visibles au MET, le test ne fournit donc pas de données complètes.

« Nous ne sommes pas seulement intéressés par le nombre de vides ou de postes vacants que vous avez, " Short dit, se référant aux endroits où un ou plusieurs atomes sont absents du réseau cristallin du matériau. "Ce que nous voulons vraiment savoir, c'est comment les propriétés des matériaux changent."

L'équipe a trouvé la réponse dans une technique appelée spectroscopie à réseau transitoire. Essentiellement, c'est un moyen de mesurer les propriétés thermiques et élastiques des matériaux en induisant et en contrôlant des ondes acoustiques à la surface du matériau. Bien que le système ne « voie » que la surface extérieure des matériaux, ces vibrations acoustiques sont affectées par des défauts souterrains dans la structure du matériau. L'effet est similaire à la façon dont les géologues peuvent construire une image des couches intérieures de la Terre en étudiant la façon dont les ondes sismiques se propagent dans différentes directions.

Le système crée ces oscillations acoustiques en utilisant deux faisceaux laser pulsés dirigés vers l'échantillon de telle sorte que les ondes lumineuses des deux faisceaux provoquent un motif d'interférence. Ce motif d'interférence provoque un échauffement à la surface de l'échantillon, générer une onde acoustique stationnaire. Le mouvement de la surface provoqué par cette onde peut être surveillé par un autre ensemble de lasers. "Nous créons des ondulations acoustiques, " Short dit, "et mesurer à quelle vitesse ils se déplacent et à quelle vitesse ils se désintègrent, " sans toucher physiquement le matériel de quelque manière que ce soit.

Le travail de l'équipe a d'abord fait face à un certain scepticisme. "Les gens ont dit 'comment savez-vous que [cette technique] est suffisamment sensible?'", explique Short. Mais avec des expériences minutieuses qui correspondent "presque parfaitement" aux simulations théoriques, ils ont fait preuve de la sensibilité nécessaire, il dit. "Ces questions cruciales étaient importantes pour nous d'entendre, et nous a motivés à mener cette étude.

Pour un essai, l'équipe a comparé deux lots d'échantillons d'aluminium composés de monocristaux parfaits avec différentes orientations de surface. Bien que l'arrangement atomique interne était différent, "ils semblaient identiques à l'œil ou au microscope, " dit-il. " Nous les avons tous mis dans notre appareil, et nous avons pu tous les trier."

Pour donner suite à leurs premiers travaux, les chercheurs travaillent maintenant à prouver la sensibilité de leur technique aux minuscules défauts de la structure d'un matériau. "Nous créons des défauts simples puis mesurons les signaux, prévoir l'impact, " Short dit. "Nous voulons montrer à quel point nous pouvons devenir sensibles."

L'équipe a utilisé différents matériaux dans ses tests, mais s'est principalement concentrée sur l'aluminium monocristallin. Ils ont choisi ce matériau parce que c'était l'un des plus difficiles, Court explique. « Lorsque vous faites pivoter l'échantillon, sa réponse acoustique change" en raison de l'alignement différent de la structure cristalline par rapport aux ondes acoustiques de surface induites par le laser. "Mais elle change très peu. Donc, si nous pouvons sentir ces changements subtils de la vitesse des vagues dans l'aluminium, alors nous sommes bien préparés pour mesurer les effets des rayonnements" dans d'autres matériaux. Les résultats de ces tests ont montré que leur appareil est suffisamment sensible pour détecter des changements dans la vitesse des ondes acoustiques aussi petits qu'un dixième de 1 pour cent. Et il peut fournir son répond "en quelques secondes, contre des mois ou des années" pour les méthodes existantes.

La méthode que les chercheurs ont développée pour simuler directement la spectroscopie de réseau transitoire est aussi importante que les mesures elles-mêmes, ils disent. À l'aide de simulations minutieuses de la dynamique moléculaire, les chercheurs ont pu prédire avec précision la réponse attendue du cuivre et de l'aluminium, et confirmer cette prédiction avec des mesures. "L'implication la plus puissante pour ces simulations, " Short dit, "est que nous pouvons créer de nouvelles structures dans l'ordinateur et prédire leurs signaux. Certains défauts sont trop complexes pour que nous puissions prédire leurs signaux en utilisant uniquement la théorie. C'est là qu'intervient la simulation." La possibilité d'utiliser la simulation pour expliquer les mesures expérimentales à l'échelle atomique est également « extrêmement éclairante, " il dit.

"Maintenant, nous pouvons prendre un point de données toutes les cinq minutes environ, où généralement vous obtiendriez quelques points de données par mois, ", dit-il. Que des tests plus rapides pourraient être cruciaux pour permettre le développement de nouvelles générations de matériaux de gainage pour le combustible nucléaire pour les nouveaux réacteurs avancés, il dit. "Maintenant, le plus gros inconvénient du déploiement de nouveaux réacteurs est le matériel, et le plus gros inconvénient à cela est le test. Si nous pouvons passer des mois aux secondes, nous pouvons contourner ce goulot d'étranglement."

Bien que leurs tests initiaux aient été effectués avec des installations de laboratoire plus grandes, Short dit qu'il devrait être assez simple de reproduire ces fonctions dans un petit appareil portable pouvant être transporté pour des essais sur le terrain ou monté en permanence dans des points de surveillance stratégiques à l'intérieur d'une cuve de réacteur.

"C'est un excellent travail avec une belle combinaison de travail expérimental et de modélisation, " dit Félix Hoffman, professeur agrégé de sciences de l'ingénieur à l'Université d'Oxford au Royaume-Uni, qui n'a pas participé à ce travail.

« Les méthodes de réseau transitoire (TG) offrent une excellente nouvelle alternative aux techniques traditionnelles de mesure des dommages causés par les rayonnements car elles sont rapides, non destructif, et ne nécessitent pas beaucoup de préparation d'échantillon autre qu'une surface polie, " dit-il. " C'est en contraste frappant avec la TEM, sonde atomique, ou la micromécanique qui nécessitent une longue préparation des échantillons. ... Si le système peut être miniaturisé et rendu suffisamment portable pour permettre des mesures in situ, cela ouvrirait d'énormes possibilités pour sonder l'évolution des propriétés des matériaux due à l'irradiation."

"Les auteurs ont démontré une avancée significative et polyvalente dans la surveillance et la quantification des défauts ponctuels dans les volumes à mésoéchelle, " dit Steven Zinkle, président du département de génie nucléaire de l'Université du Tennessee, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail. "Avec plus de raffinement, " il dit, « La nouvelle technique de spectroscopie TG pourrait conduire à une meilleure compréhension des évolutions des défauts en temps réel qui se produisent dans une large gamme de matériaux purs et d'alliages techniques lors de l'exposition au traitement par faisceau d'ions ou au bombardement de neutrons lors de la production d'énergie dans les réacteurs nucléaires.

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.