Un microscope électronique révèle les cavités induites par le rayonnement à l'intérieur d'échantillons de nickel pur et d'alliages. Les cavités des alliages nickel-cobalt-fer et nickel-cobalt-fer-chrome-manganèse sont 100 fois plus petites que celles du nickel pur. Crédit :Groupe Wang, Université du Michigan
Dans des découvertes qui pourraient changer la façon dont les industries comme l'énergie nucléaire et l'aérospatiale recherchent des matériaux qui peuvent résister à l'exposition aux rayonnements, Des chercheurs de l'Université du Michigan ont découvert que les alliages métalliques avec trois éléments ou plus en concentrations égales peuvent être remarquablement résistants au gonflement induit par les rayonnements.
Le gros problème auquel sont confrontés les métaux bombardés de radiations à haute température, tels que les métaux qui composent les gaines du combustible nucléaire, est qu'ils ont tendance à gonfler considérablement. Ils peuvent même doubler de volume.
"D'abord, il peut interférer avec d'autres parties de la structure, mais aussi quand ça gonfle, la résistance du matériau change. La densité du matériau baisse, " a déclaré Lumin Wang, U-M professeur de génie nucléaire et de sciences radiologiques. "Il peut devenir mou à haute température ou durcir à basse température."
Cela se produit parce que lorsqu'une particule vole dans le métal et fait sortir un atome de la structure cristalline, cet atome déplacé peut voyager rapidement à travers le cristal métallique. Pendant ce temps, l'espace vide laissé derrière ne se déplace pas très vite. Si plusieurs atomes sont chassés de la même zone, ces espaces vides peuvent fusionner en cavités importantes.
Pour contrôler la formation de ces cavités, et le gonflement qui l'accompagne, les recherches les plus récentes se sont concentrées sur la création de micro- et nano-structures à l'intérieur du métal en tant que « puits » spécialement conçus pour absorber les petits défauts d'une manière qui préserve l'intégrité du matériau. Mais Wang et ses collègues s'en prennent à la vieille école, en regardant les alliages qui n'ont pas de ruptures dans la structure cristalline des atomes.
Un microscope électronique révèle les cavités induites par le rayonnement à l'intérieur d'un échantillon de nickel pur. Les cavités dans les alliages nickel-cobalt-fer et nickel-cobalt-fer-chrome-manganèse sont 100 fois plus petites. Crédit :Groupe Wang, Université du Michigan
Des collègues du laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee ont créé des échantillons d'une variété d'alliages à base de nickel. Ceux-ci ont ensuite été exposés à des radiations dans une installation de l'Université du Tennessee. Les alliages les plus réussis étaient des solutions solides concentrées - des cristaux composés à parts égales de nickel, cobalt et fer; ou nickelé, cobalt, fer à repasser, chrome et manganèse.
"Ces matériaux ont de nombreuses bonnes propriétés telles que la résistance et la ductilité, et maintenant nous pouvons ajouter la tolérance aux radiations, " dit Chenyang Lu, un chercheur postdoctoral U-M en génie nucléaire et sciences radiologiques et le principal auteur du rapport en Communication Nature .
Dans une expérience proposée par Wang, Les chercheurs de l'UT ont exposé les échantillons à des faisceaux de rayonnement qui ont créé deux niveaux de dommages, similaire à ce qui peut s'accumuler dans un cœur de réacteur sur plusieurs années et plusieurs décennies. Ces expériences ont été réalisées à une température de 500 degrés Celsius ou 932 degrés Fahrenheit, une température à laquelle les alliages à base de nickel ont généralement tendance à gonfler.
Ces échantillons ont été analysés au Centre de caractérisation des matériaux de l'U-M avec un microscope électronique à transmission. L'équipe a découvert que par rapport au nickel pur, les meilleurs alliages avaient plus de 100 fois moins de dommages dus aux radiations.
Pour expliquer la particularité de ces alliages, l'équipe a travaillé en étroite collaboration avec le groupe de Fei Gao, un théoricien et professeur U-M de génie nucléaire et de sciences radiologiques. Le groupe de Gao a effectué des simulations informatiques au niveau des atomes individuels et a montré que la tolérance au rayonnement dans ce groupe d'alliages peut être attribuée à la façon dont les atomes déplacés se déplacent dans le matériau. L'explication a été confirmée par une autre série d'expériences menées par l'équipe de l'Université du Wisconsin.
Un microscope électronique révèle les cavités induites par le rayonnement à l'intérieur d'un échantillon d'alliage nickel-cobalt-fer-chrome-manganèse. Les cavités en nickel pur sont 100 fois plus grandes. Crédit :Groupe Wang, Université du Michigan
« En termes simplifiés, s'il y a beaucoup d'atomes de tailles différentes, vous pouvez les considérer comme des bosses ou des nids-de-poule, " a dit Wang. " Donc, ce défaut ne se déplacera pas si facilement. Il rebondira et ralentira."
Parce que les atomes déplacés et les trous dans la structure cristalline sont restés proches les uns des autres, ils étaient beaucoup plus susceptibles de se trouver. En effet, cela a réparé de nombreuses lacunes dans les alliages compliqués avant qu'ils ne puissent se rejoindre dans des cavités plus grandes.
« Sur la base de cette étude, nous comprenons maintenant comment développer une matrice tolérante aux rayonnements d'un alliage, " a dit Wang.
L'étude, intitulé « Améliorer la tolérance aux rayonnements en contrôlant la mobilité des défauts et les voies de migration dans les alliages monophasés multicomposants, " apparaît dans Communication Nature .
