Le triangle blanc brillant est l'endroit où les chercheurs ont repéré des produits de fission d'argent se rassemblant dans une particule de carburant TRISO. Crédit :Laboratoire national de l'Idaho
Certains viennent en Idaho pour parcourir les autoroutes qui mènent aux Tetons, à Yellowstone, aux petites villes et aux grandes aventures. Isabella van Rooyen, chercheuse au Laboratoire national de l'Idaho, est venue, depuis l'Afrique du Sud, à la recherche d'une pièce d'argent 500, 000 fois plus petit qu'une graine de pavot.
L'argent se trouvait quelque part à l'intérieur des particules de combustible tristructural-isotopique irradié (TRISO) - un plus sûr, plus efficace, combustible nucléaire de nouvelle génération, la « graine de pavot » en question. Ouvrez une particule de carburant TRISO et elle ressemble à un briseur de mâchoire à l'intérieur. Une enveloppe extérieure de carbone enrobe une couche de carbure de silicium, qui recouvre le centre d'uranium où se produit la fission libératrice d'énergie. Ces couches sont destinées à contenir les produits radioactifs de la fission, qui comprend de petits morceaux d'argent. Le confinement des matières radioactives est intégré directement dans le combustible lui-même.
Mais cela ne fonctionne pas toujours parfaitement. Parfois, dans seulement une ou deux particules sur 100, l'argent s'échappe du centre. Il se déplace autour de la particule, et sort potentiellement. Depuis les années 1970, les scientifiques se demandent exactement comment cela se produit.
"Je trouve ça absolument fascinant, " a déclaré Van Rooyen. Elle étudie le problème TRISO-argent depuis 2006. "J'ai une tendance naturelle à savoir ce qui se passe [à l'intérieur du carburant]."
Et cela prend un sixième sens scientifique :l'argent semble sauter la couche de carbure de silicium comme par magie. Il n'y a pas de point de sortie évident, ou trou en forme d'argent forcé, être trouvé. Le mécanisme de transport qui l'amène de l'intérieur vers l'extérieur est un mystère qui s'étend sur des décennies. C'est une ride dans le plan pour faire de TRISO le plus efficace, et potentiellement le plus sûr, carburant du futur.
En Afrique du sud, Van Rooyen a travaillé sur un certain nombre d'hypothèses pour le problème TRISO. Par exemple, s'est-il superposé à la particule de carburant TRISO attachée à un autre élément ? Y avait-il des nanotubes presque trop petits pour être vus qui se formaient dans la couche de carbure de silicium ?
Une possibilité semblait la plus probable à Van Rooyen. Mais pour le tester, pour même commencer à voir si c'était correct, elle avait besoin de pouvoir regarder de plus près. Et elle avait besoin de combustible TRISO irradié.
Des routes moins fréquentées
Cette coupe transversale d'une pastille de combustible TRISO montre des particules de combustible TRISO à l'échelle de 10 mm. Crédit :Laboratoire national de l'Idaho
Il y a des routes dans l'Idaho qui vous emmèneront dans de longs voyages vers les lacs et les montagnes. Mais c'était un autre type de route que Van Rooyen est venu ici pour parcourir. Les nanoroutes décrivent les réseaux où chaque couche de la particule TRISO rencontre la suivante et où les grains qui composent les couches elles-mêmes s'alignent les uns avec les autres. Ce sont les routes que Van Rooyen est venu parcourir.
Les nanoroutes pourraient-elles être le chemin du précipité d'argent hors de la particule de carburant TRISO ? Ils offrent un chemin de moindre résistance, un point de faiblesse potentielle dans le carbure de silicium. La première étape serait de voir si de l'argent pouvait être trouvé le long de ces routes.
La méthode d'investigation de Van Rooyen était un microscope électronique à transmission à balayage exploité par Yaqio Wu, un professeur agrégé de recherche de l'Université d'État de Boise et responsable de l'instrument de la suite Matériaux et caractérisation du Center for Advanced Energy Studies. Quelque part le long de l'une des limites des grains de nanoroute, Van Rooyen et Wu, avec l'ingénieur en matériaux Tom Lillo, pourrait être en mesure de repérer le précipité d'argent.
"Nous étions vraiment comme des détectives privés, " a déclaré Van Rooyen. La présence de l'argent sur les nanoroutes - si c'est là qu'il était - serait un indice clé dans le mystère.
Après un an de patience et de travail administratif, elle a finalement mis la main sur de vrais, échantillons irradiés.
Moment eurêka
Lors d'un briefing de recherche le matin, l'équipe a reçu les échantillons, ils discutèrent du fait qu'ils cherchaient une aiguille dans une botte de foin. Pour un, les morceaux d'argent étaient si petits. Et toutes les particules TRISO n'émettent pas d'argent. Y aurait-il même de l'argent dans l'échantillon spécifique qu'ils examinaient ?
Mais ce qui arriva cet après-midi fut l'un des rares moments eurêka – une découverte qui semble naître en un instant.
Après des années d'exploration et d'élimination de diverses hypothèses sur l'emplacement de l'argent, Van Rooyen et son équipe ont placé la particule TRISO irradiée au microscope électronique. Ce serait le plus proche, regard le plus attentif sur les nanoroutes dans TRISO irradié jamais.
Ce même après-midi, microscope operator Wu zoomed in and they found the silver precipitate. It was wedged at the intersection of two layers of TRISO coating, at the nanoroads between grains.
It was "an absolute wow moment, " said Van Rooyen. "We made such a commotion that people from other labs were coming to have a look."
The journey is far from over. Prochain, Van Rooyen and her team will observe the silver to see how far it moves through the silicon carbide and try to determine exactly how it is able to get out. Time and hard work will tell if the nanoroads hypothesis is correct.
For Van Rooyen, the search for the silver is just the beginning. This new section of the problem is the next adventure. "This is where the fun starts, " elle a dit.
