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Pourquoi étudier l'irradiation du polymère ?

Dossier - Étude des polymères sous rayonnements
DossierClassé sous :chimie , polymères , vieillissement

La présence des polymères à différents niveaux dans l'industrie électronucléaire justifie que leur comportement sous rayonnements ionisants soit étudié depuis plusieurs décennies.

  
DossiersÉtude des polymères sous rayonnements
 

De même que dans la vie courante, les polymères sont utilisés de manière non négligeable dans plusieurs secteurs de l'industrie électronucléaire. Il est donc important d'étudier leur comportement face aux irradiations.

À titre d'exemple, des élastomères (EPDM, hypalon) sont utilisés comme isolants constitutifs des gaines des câbles électriques dans les bâtiments réacteurs des centrales nucléaires. Certains polymères (comme le PVC) sont utilisés comme gants dans les boîtes à gants dans lesquelles sont manipulés des matériaux contaminés ou actifs. Certaines résines thermodurcissables sont pressenties comme matrice d'enrobage de déchets nucléaires de faible activité. Elles constituent donc une première barrière entre ces déchets et le reste du conteneur de stockage ou d'entreposage. Il est donc nécessaire de connaître l'évolution de tels matériaux pendant et après leur période de service.

Cette connaissance passe par l'étude de leurs transformations en deux points :

  • sous rayonnements ionisants pendant la période de service, dans les conditions normales d'utilisation ou dans les situations d'accidents ;
  • après service sous la forme de déchets. Ce dernier point concerne essentiellement l'émission gazeuse dans les colis de déchets. 
Changement de coloration d'un cadre porte échantillon en PVC après irradiation avec des ions lourds. © DR

Par ailleurs, l'irradiation peut être recherchée et non subie. Dans ce cadre, certaines méthodes de fonctionnalisation des polymères et de nanofabrication par des techniques dites de « réplique », utilisent des polymères irradiés avec des ions lourds. En effet, les ions lourds accélérés créent dans le polymère des traces dites « latentes » pouvant être révélées chimiquement pour former des nanopores. La connaissance des mécanismes de formation des défauts, dans les polymères soumis aux ions lourds et utilisés dans les procédés ci-dessus, permet une meilleure maîtrise desdits procédés (taille, forme et densité des nanopores).

Image AFM d'un film supporté de polystyrène de 300 nm, sur support Si, après irradiation avec des ions 13C de 11 MeV/A à une fluence de 2 1010 ions/cm2 et dissolution avec du toluène. Zones fortement réticulées autour du passage de l'ion. © DR

L'étude du vieillissement physico-chimique des polymères que nous effectuons au CIRIL (Centre interdisciplinaire de recherche sur les ions et les lasers) se positionne dans une optique double de recherche fondamentale et de recherche appliquée ; la frontière entre les deux pouvant être infime, voire inexistante.

L'action des rayonnements ionisants sur un polymère, dans le domaine des énergies que nous utilisons, se traduit par un dépôt d'énergie, dans le matériau, par interaction du rayonnement avec les électrons du polymère. Ce dépôt d'énergie conduit en premier lieu à l'ionisation-excitation et après différentes étapes, à la formation de défauts. Quelle que soit son orientation, le suivi du vieillissement physico-chimique des polymères soumis aux rayonnements ionisants comporte deux aspects : la caractérisation des défauts créés et leur quantification.

Deux classes de défauts sont considérées

Il faut considérer deux classes de défauts. D'une part, les défauts restant dans le polymère et d'autre part les gaz qui s'en échappent. Ces gaz sont également appelés gaz de radiolyse.

L'étude de la formation des défauts dans le polymère passe par le suivi de la variation de leur concentration en fonction du temps d'irradiation et donc de la dose déposée.

L'apport du CIRIL dans le domaine du radio-vieillissement des polymères trouve son originalité dans le fait que toutes les analyses sont effectuées en ligne, c'est-à-dire sans sortir l'échantillon de l'enceinte d'irradiation.

Cette méthodologie permet de suivre l'évolution du polymère pas à pas, de varier les conditions d'irradiation et surtout d'éviter de modifier l'environnement de l'échantillon entre l'irradiation et l'analyse. À titre d'exemple, un échantillon irradié sous vide et sorti de son enceinte pour l'analyse sera exposé à l'action de l'oxygène et s'oxydera. Cette oxydation entraînant une modification post-irradiation de l'échantillon.