Les matériaux exposés au rayonnement neutronique ont tendance à subir des dommages importants, conduisant aux défis de confinement liés à l'immobilisation des déchets nucléaires ou aux confinements des centrales nucléaires. A l'échelle nanométrique, ces neutrons incidents entrent en collision avec les atomes d'un matériau qui, à son tour, puis se heurtent un peu comme au billard. Le réseau atomique désordonné qui en résulte et ses propriétés physiques ressemblent à ceux observés dans certains matériaux vitreux, ce qui a conduit de nombreux sur le terrain à les utiliser dans la recherche nucléaire.

Mais les similitudes entre les matériaux peuvent ne pas être aussi utiles qu'on le pensait auparavant, selon les nouveaux résultats rapportés cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique .

Les réseaux atomiques désordonnés des substances vitreuses résultent de la vitrification, la transformation d'une substance en verre par sa fusion et (généralement) un refroidissement ultérieur rapide. Pendant ce refroidissement, ou trempe, les atomes n'ont pas le temps de s'installer de manière organisée, et forment à la place un réseau atomique désordonné. Cela a conduit un groupe de chercheurs de l'Université de Californie, Los Angeles (UCLA) et Oak Ridge National Laboratory pour explorer la question :l'irradiation et la vitrification ont-elles le même impact sur la structure atomique des matériaux ?

Pour trouver une réponse, ils ont exploré le quartz, un matériau simple mais omniprésent dans la nature utilisé pour une myriade d'applications d'ingénierie.

Les expériences traditionnelles ne permettent pas aux chercheurs de "voir" les atomes directement, surtout au sein de matériaux désordonnés. Donc, pour leur étude, le groupe s'est appuyé sur des simulations atomistiques utilisant la technique de la dynamique moléculaire.

"La technique de la dynamique moléculaire est basée sur la résolution numérique des lois du mouvement de Newton pour un groupe d'atomes en interaction, " a déclaré Mathieu Bauchy, professeur adjoint au département de génie civil et environnemental de l'UCLA. "Tous les atomes s'appliquent mutuellement une force qui peut être utilisée pour calculer l'accélération de chaque atome au fil du temps."

Sur la base de cette technique, ils ont pu simuler le désordre induit par l'irradiation du quartz en entrant séquentiellement en collision les atomes du réseau avec des neutrons incidents fictifs.

"Nous avons également simulé la vitrification du quartz en chauffant et en refroidissant rapidement les atomes, " dit Bauchy. " Enfin, nous avons comparé la structure atomique résultante de ces deux matériaux désordonnés."

Ils ont découvert des différences surprenantes.

« De manière assez inattendue, nous avons constaté que le désordre induit par l'irradiation est de nature différente de celui induit par la vitrification, " a déclaré Bauchy. " C'est assez surprenant car les verres et les matériaux fortement irradiés présentent généralement la même densité, de sorte que les verres sont souvent utilisés comme modèles pour simuler l'effet de l'exposition aux radiations sur les matériaux."

En revanche, les résultats des chercheurs suggèrent que les matériaux irradiés sont plus désordonnés que les verres. "La structure atomique des matériaux irradiés est en fait plus proche de celle d'un liquide que de celle d'un verre, " a déclaré Bauchy.

Les découvertes du groupe ont potentiellement des implications sérieuses pour la sélection de matériaux pour les applications nucléaires.

"D'abord, nous suggérons que les modèles actuels pourraient sous-estimer l'étendue des dommages présentés par les matériaux soumis à l'irradiation, qui soulève des problèmes de sécurité évidents, " a déclaré N.M. Anoop Krishnan, chercheur postdoctoral également à l'UCLA. "Seconde, les différentes natures des désordres induits par l'irradiation et la vitrification suggèrent que les verres peuvent également être affectés par l'irradiation."

C'est une découverte importante car les lunettes, qui sont censés "s'auto-guérir" sous irradiation, sont couramment utilisés pour immobiliser les déchets nucléaires par vitrification.

"Ces formes de déchets devraient rester stables pendant des millions d'années une fois déposées dans des dépôts géologiques, notre méconnaissance de l'effet de l'irradiation représente donc une réelle préoccupation, " a déclaré Krishnan.

Prochain, le groupe envisage d'explorer l'effet de l'irradiation sur les granulats communs présents dans le béton des centrales nucléaires et sur les verres d'immobilisation des déchets nucléaires. "Finalement, notre objectif est de développer de nouveaux modèles pour prédire l'effet à long terme de l'irradiation sur la structure et les propriétés des matériaux, " a déclaré Bauchy.