L'énergie nucléaire est une composante majeure de l'avenir à long terme de l'énergie propre de notre pays, mais la technologie a fait l'objet d'une surveillance accrue à la suite de la récente catastrophe de Fukushima au Japon. En effet, de nombreux pays ont demandé des contrôles et des « tests de résistance » pour s'assurer que les centrales nucléaires fonctionnent en toute sécurité.

Aux Etats-Unis, environ 20 pour cent de notre électricité et près de 70 pour cent de l'électricité provenant de sources sans émissions, y compris les technologies renouvelables et les centrales hydroélectriques, est alimenté par l'énergie nucléaire. Parallèlement à la production d'électricité, de nombreuses installations nucléaires dans le monde sont utilisées pour la recherche, essais de matériaux, ou la production de radio-isotopes pour l'industrie médicale. La durée de vie des composants matériels structurels et fonctionnels de ces installations est donc cruciale pour garantir un fonctionnement et une sécurité fiables.

Aujourd'hui, les scientifiques du Berkeley Lab, l'Université de Californie à Berkeley, et le Laboratoire national de Los Alamos ont mis au point une technique de test à l'échelle nanométrique pour les matériaux irradiés qui fournit des propriétés de résistance des matériaux à l'échelle macro. Cette technique pourrait permettre d'accélérer le développement de nouveaux matériaux pour des applications nucléaires et de réduire la quantité de matériel nécessaire aux essais des installations déjà en service.

"Les tests mécaniques à l'échelle nano vous donnent toujours des résistances plus élevées que l'échelle macro, valeurs en vrac pour un matériau. C'est un problème si vous voulez réellement utiliser un test à l'échelle nanométrique pour vous dire quelque chose sur les propriétés du matériau en vrac, " dit André Minor, chercheur au Centre national de microscopie électronique (NCEM) et professeur agrégé au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. "Nous avons montré que vous pouvez réellement obtenir des propriétés réelles à partir d'échantillons irradiés aussi petits que 400 nanomètres de diamètre, qui ouvre vraiment le champ des matières nucléaires pour tirer parti des essais à l'échelle nanométrique. »

Dans cette étude, Minor et ses collègues ont effectué des tests de compression d'échantillons de cuivre irradiés avec des protons de haute énergie, conçu pour modéliser comment les dommages causés par le rayonnement affectent les propriétés mécaniques du cuivre. En utilisant un appareil de test mécanique in situ spécialisé dans un microscope électronique à transmission au NCEM, l'équipe a pu examiner - avec une résolution à l'échelle nanométrique - la nature de la déformation et comment elle a été localisée dans quelques plans atomiques.

Les défauts tridimensionnels dans le cuivre créés par le rayonnement peuvent bloquer le mouvement des défauts unidimensionnels dans la structure cristalline, appelés luxations. Cette interaction provoque la fragilisation des matériaux irradiés, et modifie la quantité de force qu'un matériau peut supporter avant qu'il ne se brise. En traduisant les valeurs de résistance à l'échelle nanométrique en propriétés de masse, cette technique pourrait aider les concepteurs de réacteurs à trouver des matériaux appropriés pour l'ingénierie des composants des centrales nucléaires.

"Cette technique d'essai à petite échelle pourrait aider à prolonger la durée de vie d'un réacteur nucléaire, " a déclaré le co-auteur Peter Hosemann, professeur assistant au département de génie nucléaire de l'UC Berkeley. "En utilisant un spécimen plus petit, nous limitons tous les problèmes de sécurité liés à la manipulation du matériau d'essai et pourrions potentiellement mesurer les propriétés exactes d'un matériau déjà utilisé dans une installation nucléaire vieille de 40 ans pour nous assurer que cette structure dure longtemps."

Mineur ajoute, "Comprendre comment les matériaux échouent est une question mécanique fondamentale. Cette étude de preuve de principe nous donne un système modèle à partir duquel nous pouvons maintenant commencer à explorer le réel, matériaux pratiques applicables à l'énergie nucléaire. En comprenant le rôle des défauts sur les propriétés mécaniques des matériaux des réacteurs nucléaires, nous pouvons concevoir des matériaux plus résistants aux dommages causés par les radiations, menant à des technologies nucléaires plus avancées et plus sûres.