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Dans une étude préliminaire publiée dans le Journal of Nuclear Materials, un acier inoxydable austénitique fraîchement fabriqué, présentant des précipités de NbC nanométriques uniformément répartis (ARES-6), et un acier inoxydable 316 conventionnel ont été examinés sous irradiation d'ions lourds. Le comportement post-gonflement a été analysé afin de comparer les avantages de l'ARES-6.
Étude : Résistance au gonflement de l’acier inoxydable austénitique contenant des précipités de NbC nanométriques uniformément répartis, sous irradiation par ions lourds. Crédit image : Parilov/Shutterstock.com
Les aciers inoxydables austénitiques (SS) sont couramment utilisés comme composants internes fabriqués dans les réacteurs à eau légère modernes où ils sont exposés à des flux de rayonnement élevés.
La modification de la morphologie des aciers inoxydables austénitiques sous l'effet de la capture de neutrons affecte négativement des paramètres physiques tels que le durcissement par irradiation et la décomposition thermique. Les cycles de déformation, la porosité et l'excitation sont des exemples d'évolution de la microstructure induite par l'irradiation, fréquemment observée dans les aciers inoxydables austénitiques.
De plus, l'acier inoxydable austénitique est sujet à la dilatation sous vide induite par les radiations, ce qui peut entraîner la destruction potentiellement mortelle des composants du cœur du réacteur. Par conséquent, les innovations apportées aux réacteurs nucléaires modernes, visant une durée de vie plus longue et une productivité accrue, nécessitent l'utilisation d'assemblages complexes capables de résister à des niveaux de radiation plus élevés.
Depuis le début des années 1970, de nombreuses méthodes ont été proposées pour le développement de matériaux radioactifs. Dans le cadre des efforts visant à améliorer l'efficacité de la radioprotection, le rôle des principaux aspects de l'élasticité de la dilatation sous vide a été étudié. Cependant, les aciers inoxydables austénitiques à haute teneur en nickel étant très sensibles à la fragilisation par irradiation due à la déformation des gouttelettes d'hélium, les aciers inoxydables à faible teneur en austénite ne peuvent garantir une protection anticorrosion adéquate en milieu corrosif. L'amélioration de l'efficacité de la radioprotection par l'ajustement de la composition de l'alliage présente également certaines limitations.
Une autre approche consiste à intégrer diverses caractéristiques microstructurales pouvant servir de points de drainage pour les défaillances ponctuelles. Ces puits peuvent contribuer à l'absorption des défauts intrinsèques induits par le rayonnement, retardant ainsi la formation de cavités et de cercles de déplacement créés par le regroupement de lacunes et d'interstices.
De nombreuses dislocations, de minuscules précipités et des structures granulaires ont été proposés comme absorbeurs susceptibles d'améliorer l'efficacité du rayonnement. La conception conceptuelle de la vitesse dynamique et plusieurs études observationnelles ont révélé les avantages de ces caractéristiques microstructurales pour limiter l'expansion des cavités et réduire la séparation des composants induite par le rayonnement. Cependant, l'espace se referme progressivement sous l'effet du rayonnement et ne remplit pas pleinement sa fonction de point de drainage.
Les chercheurs ont récemment produit un acier inoxydable austénitique avec une proportion comparable de précipités de carbure de nano-niobium uniformément dispersés dans la matrice en utilisant un procédé industriel de fabrication d'acier qui a ensuite été nommé ARES-6.
La plupart des précipités devraient fournir suffisamment de sites de piégeage pour les défauts intrinsèques induits par les radiations, augmentant ainsi l'efficacité de protection contre les radiations des alliages ARES-6. Cependant, la présence de précipités microscopiques de carbure de niobium ne confère pas les propriétés de résistance aux radiations attendues de la structure.
L’objectif de cette étude était donc de tester l’effet positif des carbures de niobium de petite taille sur la résistance à l’expansion. Les effets du débit de dose sur la durée de vie des agents pathogènes nanométriques lors d’un bombardement par ions lourds ont également été étudiés.
Pour étudier l'augmentation de l'entrefer, un nouvel alliage ARES-6, contenant des nanocarbures de niobium uniformément dispersés, a été utilisé pour exciter de l'acier industriel et le bombarder d'ions nickel de 5 MeV. Les conclusions qui suivent sont basées sur des mesures de gonflement, des études de microstructure par microscopie électronique à l'échelle nanométrique et des calculs de résistance à la chute.
Parmi les propriétés microstructurales de l'ARES-6P, la forte concentration de précipités de carbure de nanoniobium est la principale cause de l'élasticité accrue lors du gonflement, bien que la forte concentration de nickel y contribue également. Compte tenu de la fréquence élevée des déplacements, l'ARES-6HR a présenté une expansion comparable à celle de l'ARES-6SA, ce qui suggère que, malgré la résistance accrue de la structure du réservoir, les déplacements dans l'ARES-6HR ne suffisent pas à eux seuls à assurer un drainage efficace.
Après bombardement par des ions lourds, la structure quasi-cristalline à l'échelle nanométrique des précipités de carbure de niobium est détruite. De ce fait, lors de l'utilisation du dispositif de bombardement par ions lourds employé dans cette étude, la plupart des pathogènes préexistants dans les échantillons non irradiés se sont progressivement dissipés dans la matrice.
Bien que la capacité de drainage de l'ARES-6P soit censée être trois fois supérieure à celle de la plaque en acier inoxydable 316, l'augmentation mesurée de l'expansion est d'environ sept fois.
La dissolution des précipités de nanocarbure de niobium sous l'effet de la lumière explique l'écart important entre la résistance au gonflement attendue et réelle de l'ARES-6P. Cependant, les cristallites de nanocarbure de niobium devraient être plus durables à des débits de dose plus faibles, et l'élasticité en expansion de l'ARES-6P sera considérablement améliorée à l'avenir dans les conditions normales d'utilisation d'une centrale nucléaire.
Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., & Al-Musa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Jeong, C., Eom, HJ, Jang, C., & AlMousa, N. (2022). Shin, JH, Kong, BS, Chon, K., Eom, HJ, Jang, K., & Al-Musa, N. (2022).Résistance au gonflement de l'acier inoxydable austénitique contenant des précipités de NbC nanométriques uniformément répartis sous irradiation par des ions lourds. Journal of Nuclear Materials. Disponible sur : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311522001714?via%3Dihub.
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Shahir est diplômé de la Faculté d'ingénierie aérospatiale de l'Institut de technologie spatiale d'Islamabad. Il a mené des recherches approfondies dans les domaines suivants : instruments et capteurs aérospatiaux, dynamique numérique, structures et matériaux aérospatiaux, techniques d'optimisation, robotique et énergies propres. L'année dernière, il a travaillé comme consultant indépendant en ingénierie aérospatiale. La rédaction technique a toujours été son point fort. Qu'il remporte des prix lors de compétitions internationales ou locales, il excelle dans ce domaine. Shahir est passionné d'automobile. De la Formule 1 à la lecture d'actualités automobiles en passant par le karting, sa vie est rythmée par les voitures. Il pratique son sport avec passion et s'efforce toujours d'y consacrer du temps. Squash, football, cricket, tennis et course automobile sont autant de loisirs auxquels il aime s'adonner.
Hot sweat, Shahr. (22 mars 2022). La résistance au gonflement d'un nouvel alliage de réacteur nanomodifié a été analysée. AZonano. Consulté le 11 septembre 2022 sur https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861.
Sueurs chaudes, Shahr. « Analyse de la résistance au gonflement de nouveaux alliages de réacteur nano-modifiés ». AZonano.11 septembre 2022.11 septembre 2022.
Hot sweat, Shahr. « Analyse de la résistance au gonflement de nouveaux alliages de réacteur nano-modifiés ». AZonano. https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861. (Consulté le 11 septembre 2022).
Hot sweat, Shahr. 2022. Analyse de la résistance au gonflement d'alliages nanomodifiés pour réacteurs. AZoNano, consulté le 11 septembre 2022, https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=38861.
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