Les dommages causés par les radiations sont repérés à l'aide de la technique de calorimétrie

Les défauts matériels causés par les dommages causés par les rayonnements peuvent être caractérisés en mesurant l'énergie que les défauts libèrent lorsqu'ils sont chauffés. C’est la conclusion de chercheurs américains et finlandais, qui affirment que leur nouvelle approche pourrait conduire à de meilleures techniques pour quantifier la diminution des performances des matériaux irradiés – ce qui pourrait avoir des implications importantes pour le fonctionnement des centrales nucléaires vieillissantes.

Les matériaux irradiés, tels que ceux utilisés dans les réacteurs nucléaires, sont endommagés lorsque l'absorption de neutrons et d'autres particules à haute énergie crée des défauts à l'échelle atomique. Ces dommages peuvent, avec le temps, dégrader les performances globales du matériau. Cependant, caractériser les dommages microscopiques peut être très difficile car même les techniques de pointe comme la microscopie électronique à transmission (TEM) ne peuvent pas mesurer avec précision le type, la taille et la densité des défauts dans un matériau.

Libération d'énergie

Au lieu de sonder directement les défauts, Charles Hirst du Massachusetts Institute of Technology et ses collègues ont étudié comment les matériaux irradiés stockaient de l'énergie dans leurs défauts à l'échelle atomique, puis libéraient cette énergie lorsqu'ils étaient chauffés. La clé de leur technique est que cette libération se produit une fois qu’une certaine barrière énergétique est atteinte – une barrière spécifique à la nature du défaut.

Pour observer ce processus, ils ont utilisé une technique appelée calorimétrie différentielle à balayage (DSC), qui mesure la différence entre la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d'un échantillon et un matériau de référence ayant une capacité thermique bien définie.

Dans ce cas, l’échantillon était un petit écrou en titane, irradié pendant 73 jours, qui simulait le rayonnement qu’il subirait dans un véritable réacteur nucléaire. Comme référence, l’équipe a utilisé un écrou identique qui n’avait pas été irradié. Dans leur expérience, ils ont progressivement chauffé l’échantillon et la référence de la température ambiante à 600 °C, à raison de 50 °C par minute.

L’étude a révélé qu’entre 300 et 600 °C, l’excès d’énergie était libéré par la noix irradiée en deux étapes distinctes, ce qui indique que les défauts se détendent à ces températures par le biais de deux mécanismes différents. L'équipe de Hirst a ensuite utilisé des simulations de dynamique moléculaire pour comprendre chacun de ces mécanismes.

Avec la TEM, ces défauts n'ont pu être étudiés qu'à des températures beaucoup plus basses, de sorte que le comportement des défauts dans la plage de températures plus élevées n'a pu être extrapolé que par l'équipe. Jusqu’à présent, cela leur a permis d’identifier un processus de libération d’énergie. Sur la base de ce résultat, Hirst et ses collègues prédisent que la DSC a le potentiel de découvrir de nombreux nouveaux mécanismes de libération d'énergie dans d'autres matériaux, révélant ainsi des défauts jusqu'à présent restés cachés par d'autres techniques.

Leur approche pourrait être particulièrement utile pour inspecter les réacteurs nucléaires. En extrayant de petits échantillons des réacteurs, les opérateurs pourraient utiliser la DSC pour mieux quantifier l’étendue de la dégradation d’un composant suite à l’exposition aux rayonnements. Cela pourrait aider les exploitants de réacteurs à prendre des décisions plus éclairées quant à savoir si les composants peuvent continuer à fonctionner en toute sécurité. En retour, cela pourrait prolonger la durée de vie des centrales nucléaires existantes – même celles considérées comme arrivant en fin de vie – pour les décennies à venir.

La recherche est décrite dans Science Advances.