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May 18, 2023

Une meilleure façon de quantifier les dommages causés par les radiations dans les matériaux

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Ce n’était qu’un déchet posé au fond d’un laboratoire du réacteur nucléaire du MIT, prêt à être éliminé. Mais c'est devenu la clé pour démontrer une manière plus complète de détecter les dommages structurels au niveau atomique dans les matériaux - une approche qui facilitera le développement de nouveaux matériaux et pourrait potentiellement soutenir l'exploitation continue de centrales nucléaires sans émissions de carbone, ce qui contribuerait à atténuer le changement climatique mondial.

Un minuscule écrou en titane qui avait été retiré de l'intérieur du réacteur était exactement le type de matériau nécessaire pour prouver que cette nouvelle technique, développée au MIT et dans d'autres institutions, permettait de sonder les défauts créés à l'intérieur des matériaux, y compris ceux qui ont été exposés. aux radiations, avec une sensibilité cinq fois supérieure à celle des méthodes existantes.

La nouvelle approche a révélé qu’une grande partie des dommages qui se produisent à l’intérieur des réacteurs se situent à l’échelle atomique et sont donc difficiles à détecter à l’aide des méthodes existantes. La technique permet de mesurer directement ces dommages grâce à la manière dont ils évoluent avec la température. Et il pourrait être utilisé pour mesurer des échantillons du parc de réacteurs nucléaires actuellement en activité, permettant potentiellement le fonctionnement sûr et continu des centrales bien au-delà de leur durée de vie actuellement autorisée.

Les résultats sont rapportés aujourd'hui dans la revue Science Advances dans un article rédigé par Charles Hirst PhD '22, spécialiste de la recherche au MIT et récent diplômé ; les professeurs du MIT Michael Short, Scott Kemp et Ju Li ; et cinq autres à l'Université d'Helsinki, au Laboratoire national de l'Idaho et à l'Université de Californie à Irvine.

Plutôt que d’observer directement la structure physique d’un matériau en question, la nouvelle approche s’intéresse à la quantité d’énergie stockée dans cette structure. Toute perturbation de la structure ordonnée des atomes à l’intérieur du matériau, telle que celle provoquée par l’exposition aux rayonnements ou par des contraintes mécaniques, confère en réalité un excès d’énergie au matériau. En observant et en quantifiant cette différence d'énergie, il est possible de calculer l'ampleur totale des dommages causés au matériau, même si ces dommages se présentent sous la forme de défauts à l'échelle atomique trop petits pour être visualisés au microscope ou par d'autres méthodes de détection.

Le principe de cette méthode a été élaboré en détail grâce à des calculs et des simulations. Mais ce sont les tests réels sur cet écrou en titane provenant du réacteur nucléaire du MIT qui en ont fourni la preuve – et ont ainsi ouvert la porte à une nouvelle façon de mesurer les dommages causés aux matériaux.

La méthode qu’ils ont utilisée s’appelle calorimétrie différentielle à balayage. Comme l'explique Hirst, cela ressemble en principe aux expériences calorimétriques que de nombreux étudiants effectuent dans les cours de chimie du lycée, où ils mesurent la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau d'un degré. Le système utilisé par les chercheurs était « fondamentalement exactement le même, mesurant les changements énergétiques. … J’aime l’appeler simplement un four sophistiqué avec un thermocouple à l’intérieur.

La partie balayage consiste à augmenter progressivement la température petit à petit et à voir comment l'échantillon réagit, et la partie différentielle fait référence au fait que deux chambres identiques sont mesurées en même temps, une vide et une contenant l'échantillon étudié. . La différence entre les deux révèle des détails sur l'énergie de l'échantillon, explique Hirst.

« Nous élevons la température de la température ambiante jusqu'à 600 degrés Celsius, à une vitesse constante de 50 degrés par minute », explique-t-il. Par rapport au récipient vide, « votre matériau sera naturellement à la traîne car vous avez besoin d’énergie pour chauffer votre matériau. Mais s’il y a des changements dans l’énergie à l’intérieur du matériau, cela modifiera la température. Dans notre cas, il y a eu une libération d'énergie lorsque les défauts se recombinent, ce qui donnera alors une petite longueur d'avance au four… et c'est ainsi que nous mesurons l'énergie dans notre échantillon.