Dans le nucléaire civil, les matériaux sont d’une importance cruciale. Leur tenue sous irradiation, entre autres, détermine la durée de vie des réacteurs et conditionne leur sûreté et leurs performances. Elle pourrait être améliorée grâce à des nanotubes de carbone. © hxdyl, Shutterstock

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Améliorer la sûreté nucléaire grâce à des nanotubes de carbone

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Nathalie Mayer, Futura-Sciences

Les matériaux soumis aux radiations ont la vie dure. Une fois fragilisés, ils mettent en péril la sûreté des installations nucléaires. Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs propose une solution pour étendre la durée de vie des pièces en aluminium utilisées dans des réacteurs nucléaires : les remplacer par un matériau composite incluant des nanotubes de carbone.

Les métaux 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 duMassachusetts 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 construction 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 porte 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 insecte 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 atténués et ce jusqu'à 70 DPA (Déplacements par atome), soit une durée très importante. Le DPA est une unité qui caractérise l'irradiation d'un matériau. 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 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 applications 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 résistance aux radiations a donc toute son importance. L'équipe du MIT l'assure : la méthode pourrait être étendue à des alliages utilisés dans les réacteurs des centrales nucléaires. Les chercheurs ont d'ailleurs déjà prévu de mener des études similaires sur du zirconium, un métal largement employé dans des réacteurs à haute température (revêtement des pastilles de combustible nucléaire).

Kezako : quels sont les effets de la radioactivité sur la matière ?  La radioactivité est un phénomène physique naturellement présent dans l'Univers. Elle est due à des noyaux atomiques instables qui se désintègrent et dégagent des rayonnements divers plus ou moins pathogènes. Unisciel et l’université de Lille 1 nous éclairent, avec le programme Kezako, sur les risques et les effets de ces rayonnements. 

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