Une nouvelle méthode pourrait surveiller la corrosion et la fissuration dans un réacteur nucléaire

En visualisant directement la défaillance des matériaux en 3D, cette technique en temps réel pourrait aider les scientifiques à améliorer la sécurité et la longévité des réacteurs.

Des chercheurs du MIT ont développé une technique permettant de surveiller en temps réel et en 3D la corrosion, la fissuration et d’autres processus de défaillance des matériaux dans l’environnement d’un réacteur nucléaire.

Cela pourrait permettre aux ingénieurs et aux scientifiques de concevoir des réacteurs nucléaires plus sûrs qui offrent également des performances supérieures pour des applications telles que la production d’électricité et la propulsion des navires de guerre.

Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont utilisé des rayons X extrêmement puissants pour imiter le comportement des neutrons interagissant avec un matériau à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.

Ils ont constaté que l'ajout d'une couche tampon de dioxyde de silicium entre le matériau et son substrat, ainsi que le maintien du matériau sous le faisceau de rayons X pendant une période prolongée, améliorent la stabilité de l'échantillon. Cela permet de surveiller en temps réel les processus de défaillance du matériau.

En reconstruisant des données d’image 3D sur la structure d’un matériau au moment de sa défaillance, les chercheurs pourraient concevoir des matériaux plus résilients, capables de mieux résister aux contraintes causées par l’irradiation à l’intérieur d’un réacteur nucléaire.

« Si nous parvenons à améliorer les matériaux d'un réacteur nucléaire, nous pourrons en prolonger la durée de vie. Cela signifie également que les matériaux mettront plus de temps à tomber en panne, ce qui nous permettra d'optimiser l'utilisation d'un réacteur nucléaire. La technique que nous avons démontrée ici permet de repousser les limites de la compréhension des défaillances des matériaux en temps réel », explique Ericmoore Jossou, qui a partagé des postes au Département de sciences et d'ingénierie nucléaires (NSE), où il est professeur John Clark Hardwick, au Département de génie électrique et d'informatique (EECS), et au Schwarzman College of Computing du MIT.

Jossou, auteur principal d'une étude sur cette technique, est rejoint dans cet article par l'auteur principal David Simonne, postdoctorant en sciences naturelles et en génie ; Riley Hultquist, étudiant diplômé en sciences naturelles et en génie ; Jiangtao Zhao, du Synchrotron européen ; et Andrea Resta, du Synchrotron SOLEIL. La recherche a été publiée mardi par la revue Scripta Materiala .

« Seule cette technique nous permet de mesurer la contrainte avec une résolution nanométrique lors des processus de corrosion. Notre objectif est de faire découvrir ces idées novatrices à la communauté scientifique nucléaire en utilisant les synchrotrons à la fois comme sonde à rayons X et comme source de rayonnement », ajoute Simonne.

Imagerie en temps réel

L’étude des défaillances en temps réel des matériaux utilisés dans les réacteurs nucléaires avancés est depuis longtemps un objectif du groupe de recherche de Jossou.

Habituellement, les chercheurs ne peuvent être informés de telles défaillances matérielles qu’après coup, en retirant le matériau de son environnement et en l’imagéant avec un instrument à haute résolution.

« Nous souhaitons observer le processus en temps réel. Ainsi, nous pouvons suivre le matériau du début à la fin et identifier les moments et les causes de ses défaillances. Cela nous aide à mieux comprendre un matériau », explique-t-il.

Ils simulent le processus en projetant un faisceau de rayons X extrêmement focalisé sur un échantillon afin de reproduire l'environnement d'un réacteur nucléaire. Les chercheurs doivent utiliser un type particulier de rayons X de haute intensité, que l'on ne trouve que dans quelques installations expérimentales dans le monde.

Pour ces expériences, ils ont étudié le nickel, un matériau incorporé dans des alliages couramment utilisés dans les réacteurs nucléaires avancés. Mais avant de pouvoir démarrer l'équipement à rayons X, ils ont dû préparer un échantillon.

Pour ce faire, les chercheurs ont utilisé un procédé appelé démouillage à l’état solide, qui consiste à déposer une fine couche du matériau sur un substrat et à le chauffer à une température extrêmement élevée dans un four jusqu’à ce qu’il se transforme en monocristaux.

« Nous pensions que réaliser les échantillons serait une promenade de santé, mais ce n'était pas le cas », explique Jossou.

À mesure que le nickel se réchauffait, il interagissait avec le substrat de silicium et formait un nouveau composé chimique, ce qui perturbait l'expérience. Après de nombreux essais et erreurs, les chercheurs ont découvert que l'ajout d'une fine couche de dioxyde de silicium entre le nickel et le substrat empêchait cette réaction.

Mais lorsque les cristaux se sont formés au-dessus de la couche tampon, ils ont été fortement contraints. Cela signifie que les atomes individuels se sont légèrement déplacés vers de nouvelles positions, provoquant des distorsions dans la structure cristalline.

Les algorithmes de récupération de phase peuvent généralement récupérer la taille et la forme 3D d'un cristal en temps réel, mais s'il y a trop de contrainte dans le matériau, les algorithmes échoueront.

Cependant, l'équipe a été surprise de constater qu'en maintenant le faisceau de rayons X dirigé sur l'échantillon pendant une période prolongée, la contrainte se détendait lentement, grâce à la couche tampon en silicium. Après quelques minutes supplémentaires d'exposition aux rayons X, l'échantillon était suffisamment stable pour permettre l'utilisation d'algorithmes de récupération de phase afin de reconstituer avec précision la forme et la taille 3D du cristal.

« Personne n'avait réussi à faire cela auparavant. Maintenant que nous pouvons fabriquer ce cristal, nous pouvons visualiser des processus électrochimiques comme la corrosion en temps réel, en observant la défaillance du cristal en 3D dans des conditions très similaires à celles d'un réacteur nucléaire. Cela a des répercussions considérables », explique-t-il.

Ils ont expérimenté un substrat différent, comme  le titanate de strontium dopé au niobium, et ont découvert que seule une plaquette de silicium tamponnée au dioxyde de silicium créait cet effet unique.

Un résultat inattendu

En peaufinant l’expérience, les chercheurs ont découvert autre chose.

Ils pourraient également utiliser le faisceau de rayons X pour contrôler précisément la quantité de contrainte dans le matériau, ce qui pourrait avoir des implications pour le développement de la microélectronique.

Dans la communauté de la microélectronique, les ingénieurs introduisent souvent une contrainte pour déformer la structure cristalline d'un matériau de manière à améliorer ses propriétés électriques ou optiques.

« Grâce à notre technique, les ingénieurs peuvent utiliser les rayons X pour ajuster la contrainte dans les composants microélectroniques pendant leur fabrication. Même si ce n'était pas notre objectif avec ces expériences, c'est comme obtenir deux résultats pour le prix d'un », ajoute-t-il.

À l'avenir, les chercheurs souhaitent appliquer cette technique à des matériaux plus complexes, comme l'acier et d'autres alliages métalliques utilisés dans les réacteurs nucléaires et les applications aérospatiales. Ils souhaitent également étudier l'impact de la modification de l'épaisseur de la couche tampon de dioxyde de silicium sur leur capacité à contrôler la déformation d'un échantillon cristallin.

« Cette découverte est importante pour deux raisons. Premièrement, elle apporte un éclairage fondamental sur la façon dont les matériaux nanométriques réagissent aux rayonnements – une question d'une importance croissante pour les technologies énergétiques, la microélectronique et les matériaux quantiques. Deuxièmement, elle met en évidence le rôle crucial du substrat dans la relaxation des contraintes, montrant que la surface de support peut déterminer si les particules conservent ou libèrent des contraintes lorsqu'elles sont exposées à des faisceaux de rayons X focalisés », explique Edwin Fohtung, professeur associé au Rensselaer Polytechnic Institute, qui n'a pas participé à ces travaux.

https://news.mit.edu/2025/new-method-could-monitor-corrosion-and-cracking-nuclear-reactor-0827