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Mar 10, 2024

Regarder à l’intérieur de l’acier irradié

L’un des principes fondateurs de la science des matériaux est que la microstructure interne d’un matériau contrôle ses performances. C’est pour cette raison qu’il y a toujours eu un vif intérêt pour

L’un des principes fondateurs de la science des matériaux est que la microstructure interne d’un matériau contrôle ses performances. Pour cette raison, l’étude et la classification des structures internes des matériaux ont toujours suscité un intérêt intense afin de comprendre et de prédire leurs performances. La plupart de ces travaux ont été facilités par le développement continu et rapide des techniques d'analyse microstructurale permettant de sonder des régions de plus en plus petites de la structure matérielle, jusqu'au niveau atomistique.

Les informations au niveau atomistique sont essentielles pour comprendre les changements internes dans le matériau. Cependant, le défi majeur consiste à lier cette compréhension aux performances de structures matérielles à l’échelle réaliste. Nous avons souhaité construire, au niveau atomistique, des informations permettant de comprendre comment les structures réelles se comportent dans des conditions d'application réelles : pouvons-nous comprendre la durabilité d'une structure à partir de notre caractérisation des matériaux au niveau atomistique ?

Les structures en acier irradié sont utilisées depuis longtemps pour la construction de systèmes nucléaires et constituent une priorité élevée pour les applications dans la prochaine génération de systèmes de réacteurs nucléaires avancés. Pour les systèmes nucléaires avancés, les aciers avec des compositions de Fe-9 à 12Cr ont suscité le plus d'intérêt et les plus grands niveaux d'activités expérimentales et de modélisation. Ces types d'acier irradié ont été utilisés dans des systèmes nucléaires avancés et présentent un grand intérêt pour les futurs systèmes car ils résistent aux dommages internes causés par l'irradiation. L'exposition à des champs d'irradiation intenses à l'intérieur d'un réacteur nucléaire peut modifier radicalement les propriétés mécaniques du matériau et modifier ses dimensions physiques. Trouver des matériaux capables de résister à ces changements est essentiel pour les cycles de vie et la sécurité des réacteurs.

Nous décrivons ici les découvertes expérimentales sur le modèle Fe-9 à 12 Cr et les alliages d'acier commerciaux pour montrer ce qui se passe à l'intérieur de l'acier irradié lorsqu'il est soumis à des champs d'irradiation intenses à des températures élevées à l'intérieur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement. Nos matériaux ont été irradiés dans le Advanced Test Reactor (ATR) du Idaho National Laboratory (INL). Ils ont été soumis à des irradiations neutroniques allant jusqu'à 10 déplacements par atome (dpa). Le facteur de mérite pour les dommages causés par les radiations, dpa, indique combien de fois en moyenne chaque atome du matériau a été projeté hors de sa position normale vers un autre emplacement du matériau. 10 dpa indique que chaque atome du matériau a été heurté ou déplacé de sa position de départ vers un autre emplacement dix fois au cours de l'exposition à l'irradiation. Ainsi, en moyenne, tous les atomes du matériau ne sont pas dans la même position où ils ont commencé. Beaucoup d'entre eux retombent dans leur position normale dans le réseau cristallin du matériau, mais certains se déplacent et se combinent avec d'autres atomes « déplacés » pour former des « défauts » ou des amas différents de la structure de départ.

Il est possible d'observer l'évolution des amas de défauts dans l'acier irradié. L’utilisation de faisceaux d’ions à haute énergie dirigés vers un microscope électronique à transmission stimule les dommages constatés dans les réacteurs nucléaires. Cette technique fournit une image claire de la manière dont de petits groupes de défauts se forment et se développent avec les dommages causés par l'irradiation. Les petits points « noirs » qui se forment lors de l'exposition à l'irradiation, illustrés sur la figure 1, sont de petits amas d'atomes qui ont été « déplacés » et rapprochés pour former de petits amas. Ces amas agissent comme un agent de renforcement pour rendre le matériau plus résistant, mais ils ont également tendance à le rendre plus cassant.

Les structures endommagées par l'irradiation illustrées sur la figure 1 donnent une indication de ce qui peut se produire lors de l'irradiation d'une petite et fine tranche de matériau. Pour les conditions réelles d’un réacteur, il est avantageux d’examiner les matériaux qui ont été irradiés dans un réacteur en fonctionnement. Nous avons examiné ce type de matériaux, tels que l'acier irradié, qui ont été irradiés à l'intérieur de l'ATR de l'INL. L'ATR est une installation où de grands volumes de matériaux expérimentaux peuvent être irradiés pour endommager des niveaux d'intérêt pour les systèmes d'énergie nucléaire actuels et avancés.