Les scientifiques d'Argonne ont découvert une nouvelle façon de revêtir les matières nucléaires qui soutient les efforts visant à minimiser l'utilisation d'uranium hautement enrichi.

A l'intérieur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement, l'environnement est extrême, car les composants du réacteur sont exposés à une combinaison de rayonnement et de chaleur intenses ainsi qu'à un réfrigérant chimiquement réactif. C'est pourquoi, afin d'exploiter les réacteurs en toute sécurité, les scientifiques doivent concevoir leurs composants avec des matériaux capables de résister à ces conditions.

Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont fait une découverte cruciale en prenant une technique développée à l'origine pour l'industrie des semi-conducteurs et en l'utilisant comme moyen de revêtir des matériaux nucléaires. Cette technique, appelé dépôt de couche atomique (ALD), constitue la base de nouvelles méthodes pour protéger les combustibles et matières nucléaires d'une exposition directe à l'environnement hostile du réacteur.

Le dépôt de couche atomique ― comme son nom l'indique permet aux chercheurs de déposer des films atomiquement minces d'un matériau particulier sur une surface. En construisant ces couches, Les scientifiques d'Argonne peuvent former des revêtements chimiquement précis conçus pour avoir un ensemble de propriétés particulières.

"Nous sommes pionniers dans l'utilisation de l'ALD pour les applications nucléaires, " a déclaré l'ingénieur nucléaire d'Argonne Abdellatif Yacout, responsable du groupe développement et qualification des combustibles. Argonne connaisseur de la technique, dirigé par Argonne Distinguished Fellow Michael Pellin, ont contribué à ces avancées.

Les revêtements de combustible soutiennent les efforts visant à minimiser l'uranium hautement enrichi

Dans une série d'expériences, Les scientifiques d'Argonne ont utilisé l'ALD pour déposer du nitrure de zirconium (ZrN) en tant que revêtement directement sur des poudres d'uranium-molybdène (U-Mo) faiblement enrichies. Le revêtement est suffisamment fin pour permettre aux neutrons de pénétrer, tout en protégeant le carburant de la dégradation, généralement par interaction avec l'aluminium (Al), constituant majeur des systèmes combustibles d'un réacteur de recherche.

Afin d'étudier la stabilité du revêtement ZrN nouvellement développé et comment il interagit avec l'aluminium, les scientifiques ont effectué plusieurs études d'irradiation ex situ à l'aide d'ions lourds (pour simuler les dommages causés par des fragments de fission) dans l'installation ATLAS (Tandem Linac Accelerator System) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

Ce travail spécifique de reconception des revêtements pour les combustibles nucléaires soutient l'effort de conversion des réacteurs de recherche de grande puissance dans le monde qui utilisent de l'uranium hautement enrichi (UHE) pour utiliser des combustibles à base d'uranium faiblement enrichi (UFE), à l'appui de la politique nationale de minimisation de l'UHE.

Gaines de revêtement pour résister aux environnements de réacteur

Deux autres séries d'expériences impliquant l'ALD tournent autour des gaines, qui sont des matériaux structurels qui encapsulent les constituants du combustible à l'intérieur d'un réacteur nucléaire.

Haute résistance au fretting grâce à un revêtement nano-stratifié. Ce projet a utilisé ALD pour concevoir des matériaux de revêtement qui résisteraient à l'usure par frottement, un comportement des assemblages de réacteurs qui contribue à l'usure mécanique. "Une façon de résister au fretting est d'enduire la surface du bardage pour augmenter sa dureté, " a déclaré Yacout. " Surfaces de revêtement modifiées avec un revêtement ALD (par exemple, oxyde d'aluminium [Al2O3]) et suivi d'autres traitements, augmente la dureté de la surface de près de 100 fois.

Résistance à l'oxydation à haute température. Ce projet a porté sur le développement d'un revêtement pour les gaines afin qu'elles puissent mieux résister aux températures élevées à l'intérieur d'un réacteur lors d'accidents graves. L'équipe a développé un matériau composite céramique unique, qui peut être fabriqué à basse température mais avec une microstructure significativement compacte.

Le développement de ce revêtement composite à base de céramique est un processus en deux étapes. Il s'agit de combiner le dépôt électrophorétique (EPD), un procédé de dépôt rapide et à basse température, avec ALD. De cette façon, les chercheurs d'Argonne ont pu créer rapidement un revêtement composite céramique-céramique épais qui à la fois adhère et se conforme à la surface du revêtement.

La puissance d'une technique articulaire

Ni l'EPD ni l'ALD en tant que processus de dépôt en soi n'auraient donné un revêtement suffisant pour protéger le revêtement, a déclaré Sumit Bhattacharya, chercheur en Argonne. "Même si ALD génère un sténopé, revêtement dense et adhérent, la vitesse de dépôt est relativement lente. Afin de déposer l'épaisseur dont vous avez besoin, cela prendra des jours voire dans certains cas des semaines, " il a dit.

"Pendant ce temps, si vous utilisez uniquement EPD, la couche déposée est très poreuse, et nécessite un frittage à haute température pour devenir dense et adhérent au substrat. Ce n'est pas l'idéal, car le matériau de revêtement est sensible à la température et il perdra toutes ses propriétés mécaniques."

Un avantage principal de l'utilisation des techniques de dépôt double consiste en la possibilité de réduire fortement la température nécessaire pour produire un revêtement adhérent. Généralement, développer un composite céramique dense, une étape de frittage à haute température est nécessaire. Cependant, parce que le revêtement est en métal, le frittage typique ferait fondre le substrat ou perdrait sa résistance.

"Non seulement vous n'obtiendrez pas le frittage, mais le substrat principal que vous essayez de protéger sera détruit, " expliqua Bhattacharya.

La combinaison de la technique EPD/ALD permet d'obtenir un revêtement adhérent à une température d'environ 300 degrés Celsius seulement, bien inférieure à la température de frittage conventionnelle requise pour de tels composites.

L'utilisation de l'ALD offre un autre avantage essentiel par rapport aux autres techniques de dépôt, tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Même si les CVD se déposent plus rapidement que les ALD, ce faisant, il bloque des parties des canaux qui devraient être comblées. Par conséquent, il laisse de grandes porosités à l'intérieur du composite. "Seul ALD peut s'assurer que nous sommes capables de traiter tous les coins et recoins, " dit Bhattacharya.

Afin de tester comment le revêtement peut supporter l'environnement d'irradiation du réacteur, les chercheurs l'ont bombardé d'ions lourds à différentes températures dans l'installation de microscope électronique à tension intermédiaire (IVEM) d'Argonne. Après, l'échantillon est resté intact et les scientifiques n'ont trouvé aucun changement apparent dans la nanopoudre et le revêtement ALD superposé.

Les travaux d'Argonne sur l'ALD pour les applications nucléaires ont été financés par plusieurs organisations, dont le Bureau de l'énergie nucléaire du DOE, l'Administration nationale de la sécurité nucléaire du DOE ; Westinghouse, et les fonds de recherche et développement dirigés par le laboratoire d'Argonne.