Une étude collaborative de cinq ans menée par des scientifiques chinois et canadiens a produit un modèle théorique par simulation informatique pour prédire les propriétés des nanobulles d'hydrogène dans le métal.

L'équipe internationale était composée de scientifiques chinois de l'Institut de physique des solides de l'Institut des sciences physiques de Hefei ainsi que de leurs partenaires canadiens de l'Université McGill. Les résultats seront publiés dans Matériaux naturels le 15 juillet.

Les chercheurs pensent que leur étude peut permettre une compréhension et une évaluation quantitatives des dommages induits par l'hydrogène dans des environnements riches en hydrogène tels que les cœurs de réacteurs à fusion.

Hydrogène, l'élément le plus abondant de l'univers connu, est un combustible très attendu pour les réactions de fusion et donc un axe d'étude important.

Dans certains environnements enrichis en hydrogène, par exemple., blindage de tungstène dans le cœur d'un réacteur à fusion, les matériaux métalliques peuvent être gravement et irrémédiablement endommagés par une exposition prolongée à l'hydrogène.

Étant le plus petit élément, l'hydrogène peut facilement pénétrer les surfaces métalliques à travers les espaces entre les atomes métalliques. Ces atomes d'hydrogène peuvent être facilement piégés à l'intérieur de vides à l'échelle nanométrique ("nanovoïdes") dans les métaux créés soit lors de la fabrication, soit par irradiation neutronique dans le réacteur de fusion. Ces nanobulles deviennent de plus en plus grosses sous la pression interne d'hydrogène et conduisent finalement à une défaillance du métal.

Sans surprise, l'interaction entre l'hydrogène et les nanovides qui favorisent la formation et la croissance de bulles est considérée comme la clé d'un tel échec. Encore, les propriétés de base des nanobulles d'hydrogène, tels que leur nombre et la force de l'hydrogène piégé dans les bulles, a été largement méconnu.

Par ailleurs, les techniques expérimentales disponibles rendent pratiquement impossible l'observation directe de bulles d'hydrogène à l'échelle nanométrique.

Pour s'attaquer à ce problème, l'équipe de recherche a proposé à la place d'utiliser des simulations informatiques basées sur la mécanique quantique fondamentale. Cependant, la complexité structurelle des nanobulles d'hydrogène a rendu la simulation numérique extrêmement compliquée. Par conséquent, les chercheurs ont eu besoin de cinq ans pour produire suffisamment de simulations informatiques pour répondre à leurs questions.

À la fin, cependant, ils ont découvert que le comportement de piégeage de l'hydrogène dans les nanovides, bien qu'apparemment compliqué, suit en réalité des règles simples.

D'abord, des atomes d'hydrogène individuels sont adsorbés, d'une manière mutuellement exclusive, par la surface interne des nanovides avec des niveaux d'énergie distincts. Seconde, après une période d'adsorption en surface, l'hydrogène est poussé - en raison de l'espace limité - vers le noyau nanovide où l'hydrogène moléculaire gazeux s'accumule ensuite.

En suivant ces règles, l'équipe a créé un modèle qui prédit avec précision les propriétés des nanobulles d'hydrogène et s'accorde bien avec les récentes observations expérimentales.

Tout comme l'hydrogène remplit les nanovides dans les métaux, cette recherche comble un vide de longue date dans la compréhension de la formation des nanobulles d'hydrogène dans les métaux. Le modèle fournit un outil puissant pour évaluer les dommages induits par l'hydrogène dans les réacteurs à fusion, ouvrant ainsi la voie à l'exploitation future de l'énergie de fusion.