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Les métauxmétaux qui constituent le corps d'un réacteur nucléaire sont soumis à de fortes radiations. Avec le temps, ils deviennent poreux, voire cassants, imposant une limite à la durée de vie d'une centrale nucléaire. Cependant, grâce à la découverte d'une équipe internationale de chercheurs, parmi lesquels un groupe du Massachusetts Institute of Technology (MIT), la donne pourrait changer. L'équipe a constaté que, si l'on ajoute une petite quantité de nanotubes de carbone à un métal, le processus de dégradation sous l'effet des radiations est très largement ralenti. Avec, ce qui ne gâche rien, un coût et des méthodes de production parfaitement maîtrisés.
Pour garantir les performances et, plus encore, la sûreté d'une installation nucléaire civile, la maîtrise des comportements des matériaux utilisés pour sa constructionconstruction est cruciale. En effet, ceux-ci sont soumis à rude épreuve : sollicitations thermiques, mécaniques ou chimiques et, surtout, exposition à d'intenses radiations sur de longs laps de temps. Ces radiations, si elles ont des effets sur le vivant, en ont aussi sur les matériaux, qui finissent par fatiguer et par se fragiliser. Ainsi, par exemple, des noyaux d'hélium peuvent être amenés à pénétrer un métal constituant le corps du réacteur nucléaire. Celui-ci se retrouve alors criblé de minuscules bulles qui, mises bout à bout, le rendent de plus en plus fragile.
L'idée de concevoir des matériaux composites pour profiter des qualités de leurs composants en s'affranchissant de leurs défauts n'est pas nouvelle. C'est celle que les chercheurs du MIT ont exploitée. Ils ont dispersé uniformément, à l'intérieur d'une pièce en aluminium, des nanotubes de carbone - à hauteur de 1 % en poids seulement - et ont observé que cela permettait d'atténuer les dégâts causés par les radiations sur de longues périodes de temps. Ces nanotubes offrent à l'hélium une véritable porteporte de sortie. L'idée est de renvoyer l'hélium vers l'intérieur du réacteur, évitant ainsi de causer des dommages irréversibles à la structure en aluminium.
Pour produire leur matériau composite à base d’aluminium et de nanotubes de carbone, les chercheurs se sont appuyés sur un procédé de fabrication simple et maîtrisé, donc peu onéreux : l’extrusion. Nanotubes de carbone (CNT) et aluminium (Al) sont simplement mis en présence (declustered CNTs) puis encapsulés, l'ensemble étant consolidé (encapsulation & consolidation). Au moment de l'extrusion, les nanotubes s'alignent (CNT align). © Courtesy of the researchers, MIT
Un nanocomposite résistant aux radiations
Les essais réalisés par l'équipe du MIT montrent que les nanotubes exposés aux rayonnements sont susceptibles de subir des transformations chimiques qui les changent en carbures sans pour autant que ces transformations aient une influence sur leur forme tubulaire. C'est un peu comme un insecteinsecte pris dans de l'ambre : il conserve sa forme d'origine, tout comme les nanotubes pris dans l'aluminium. Les défauts créés par les radiations dans le métal peuvent donc continuer à être atténuésatténués et ce jusqu'à 70 DPA (Déplacements par atome), soit une duréedurée très importante. Le DPA est une unité qui caractérise l'irradiationirradiation d'un matériaumatériau. Ainsi 10 DPA signifie que chaque atome d'une structure aura été déplacé, sous l'effet des rayonnements, 10 fois au cours de la durée de vie de la structure.
Or, en fin de vie, le DPA des structures internes d'un réacteur nucléaire atteint l'ordre de 100. Avec le matériau compositematériau composite imaginé par l'équipe du MIT, la durée de vie de la structure est donc largement augmentée. Pour une irradiation donnée, le degré de fragilisation du nouveau matériau s'est révélé 5 à 10 fois moindre que celui des matériaux classiquement employés !
Certes, pour l'heure, la méthode n'a pu être prouvée que pour des composites à base d'aluminium. Ceci limite les applicationsapplications à des environnements basse température tels que ceux que l'on peut trouver dans des réacteurs de recherche. L'aluminium est aussi pressenti pour servir de base à la réalisation de containers pour le stockage des déchets nucléaires. Améliorer sa résistancerésistance aux radiations a donc toute son importance. L'équipe du MIT l'assure : la méthode pourrait être étendue à des alliagesalliages utilisés dans les réacteurs des centrales nucléairescentrales nucléaires. Les chercheurs ont d'ailleurs déjà prévu de mener des études similaires sur du zirconiumzirconium, un métal largement employé dans des réacteurs à haute température (revêtement des pastilles de combustiblecombustible nucléaire).
