Afin d'évaluer la capacité d'un matériau à résister à l'environnement fortement radiatif à l'intérieur d'un réacteur nucléaire, les chercheurs ont traditionnellement utilisé une méthode connue sous le nom de « cuisiner et regarder, " ce qui signifie que le matériau est exposé à un rayonnement élevé, puis retiré pour un examen physique. Mais ce processus est si lent qu'il inhibe le développement de nouveaux matériaux pour les futurs réacteurs.

Maintenant, des chercheurs du MIT et des laboratoires nationaux Sandia ont développé, testé, et mis à disposition un nouveau système capable de surveiller en continu les changements induits par les rayonnements, fournissant des données plus utiles beaucoup plus rapidement que les méthodes traditionnelles.

Avec de nombreuses centrales nucléaires approchant de la fin de leur durée de vie opérationnelle en vertu de la réglementation en vigueur, connaître l'état des matériaux à l'intérieur peut être essentiel pour comprendre si leur fonctionnement peut être prolongé en toute sécurité, et si oui de combien.

Le nouveau système laser peut être utilisé pour observer les modifications des propriétés physiques des matériaux, tels que leur élasticité et leur diffusivité thermique, sans les détruire ni les altérer, disent les chercheurs. Les résultats sont décrits dans la revue Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B dans un article du doctorant du MIT Cody A. Dennett, professeur de sciences et d'ingénierie nucléaires Michael P. Short, et le technologue Daniel L. Buller et le scientifique Khalid Hattar de Sandia.

Le nouveau système, basé sur une technologie appelée spectroscopie à réseau transitoire, utilise des faisceaux laser pour sonder les changements infimes à la surface d'un matériau, ce qui peut révéler des détails sur les changements dans la structure de l'intérieur du matériau. Il y a deux ans, Dennett et Short ont adapté l'approche pour surveiller les effets des rayonnements. Maintenant, après des tests approfondis, le système est prêt à être utilisé par les chercheurs explorant le développement de nouveaux matériaux pour les réacteurs de prochaine génération, ou ceux qui cherchent à prolonger la durée de vie des réacteurs existants grâce à une meilleure compréhension de la façon dont les matériaux se dégradent au fil du temps sous l'environnement de rayonnement sévère à l'intérieur des cuves des réacteurs.

L'ancienne façon de tester les matériaux pour leur réponse au rayonnement était d'exposer le matériau pendant un certain temps, puis sortez-le et "brisez-le en morceaux pour voir ce qui s'est passé, " explique Dennett. Au lieu de cela, "nous voulions voir si vous pouviez détecter ce qui arrive au matériau pendant le processus, et déduire comment la microstructure évolue.

La méthode de spectroscopie à réseau transitoire avait déjà été développée par d'autres, mais il n'avait pas été utilisé pour rechercher les effets des dommages causés par les radiations, tels que les changements dans la capacité du matériau à conduire la chaleur et à répondre aux contraintes sans se fissurer. L'adaptation de la technique aux environnements de rayonnement uniques et difficiles a nécessité des années de développement.

Pour simuler les effets du bombardement neutronique - le type de rayonnement qui provoque la plus grande partie de la dégradation des matériaux dans un environnement de réacteur - les chercheurs utilisent couramment des faisceaux d'ions, qui produisent un type de dommages similaire mais sont beaucoup plus faciles à contrôler et plus sûrs à utiliser. L'équipe a utilisé une installation d'accélérateur d'ions de 6 mégavolts à Sandia comme base pour le nouveau système. Ces types d'installations accélèrent les tests car elles peuvent simuler des années d'exposition opérationnelle aux neutrons en quelques heures seulement.

En utilisant la capacité de surveillance en temps réel de ce système, Dennett dit, il est possible de déterminer le moment où les changements physiques du matériau commencent à s'accélérer, qui a tendance à se produire assez soudainement et à progresser rapidement. En arrêtant l'expérience juste à ce moment-là, il est alors possible d'étudier en détail ce qui se passe à ce moment critique. "Cela nous permet de cibler quelles sont les raisons mécanistes derrière ces changements structurels, " il dit.

Short dit que le système pourrait effectuer des études détaillées des performances d'un matériau donné en quelques heures, alors qu'autrement, cela pourrait prendre des mois juste pour passer par la première itération de trouver le point où la dégradation s'installe. Pour une caractérisation complète, méthodes conventionnelles "peut prendre six mois, versus un jour" en utilisant le nouveau système, il dit.

Dans leurs tests du système, l'équipe a utilisé deux métaux purs - le nickel et le tungstène - mais l'installation peut être utilisée pour tester toutes sortes d'alliages ainsi que des métaux purs, et pourrait également tester de nombreux autres types de matériaux, disent les chercheurs. "L'une des raisons pour lesquelles nous sommes si excités ici, " Dennett dit, c'est que lorsqu'ils ont décrit cette méthode lors de congrès scientifiques, « tout le monde à qui nous avons parlé dit 'pouvez-vous l'essayer sur mon matériel ? » Tout le monde a une idée de ce qui se passera s'ils peuvent tester leur propre truc, et ensuite ils peuvent avancer beaucoup plus vite dans leurs recherches. »

Les mesures réelles effectuées par le système, qui stimule les vibrations dans le matériau à l'aide d'un faisceau laser puis utilise un deuxième laser pour observer ces vibrations à la surface, sonder directement la rigidité élastique et les propriétés thermiques du matériau, Dennett explique. Mais cette mesure peut ensuite être utilisée pour extrapoler d'autres caractéristiques connexes, y compris l'accumulation de défauts et de dommages, il dit. "C'est ce qu'ils vous disent sur les mécanismes sous-jacents" qui est le plus significatif.

L'installation unique, maintenant en service à Sandia, fait également l'objet d'un travail permanent de l'équipe pour améliorer encore ses capacités, dit Dennett. "C'est très améliorable, " il dit, ajoutant qu'ils espèrent ajouter plus d'outils de diagnostic différents pour sonder plus de propriétés des matériaux pendant l'irradiation.

Le travail est « une approche d'ingénierie intelligente qui permettra aux chercheurs de caractériser la réponse d'une variété de matériaux aux dommages dus à l'irradiation, " dit Laurence J. Jacobs, professeur et doyen associé pour les affaires académiques à Georgia Tech, qui n'a pas participé à l'étude. Il dit qu'il s'agit « d'une recherche exceptionnelle sur un sans contact, technique d'évaluation non destructive qui permet le temps réel, suivi in ​​situ des propriétés mécaniques d'un matériau soumis à une irradiation par faisceau d'ions."

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.