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Modéliser les propriétés d'autoréparation des réacteurs nucléaires

L'émergence de nouveaux concepts utilisant les nanosciences dans la conception de matériaux structurels aidera à faire les progrès nécessaires pour les systèmes d'énergie nucléaire du futur. Ils ont par exemple permis à des chercheurs de l'UE de développer des modèles multi-échelles de matériaux de réacteurs innovants qui s'auto-réparent pour une meilleure tolérance au rayonnement.
Modéliser les propriétés d'autoréparation des réacteurs nucléaires
Les dégâts causés par le rayonnement se manifestent par des phénomènes tels que le gonflement sous irradiation et le fluage d'irradiation, des déformations au niveau des matériaux du réacteur qui peuvent entraîner des défaillances. De nombreuses données suggèrent que l'on peut éviter ce gonflement en utilisant une nouvelle catégorie de matériaux dotés de propriétés autoréparatrices. Cependant, la modélisation mathématique et les outils de simulation nécessaires pour étudier ces phénomènes et développer de meilleures conceptions font encore défaut.

Le projet RADINTERFACES (Multiscale modelling and materials by design of interface-controlled radiation damage in crystalline materials), financé par l'UE, a permis de combler ces lacunes. Les chercheurs ont étudié les phénomènes à tous les niveaux pertinents, en commençant par la structure électronique dans laquelle l'atome PKA (primary knock-on atom) peut déclencher la cascade d'évènements destructeurs.

Les nouveaux films multicouches de matières cristallines à plusieurs phases ont démontré leur capacité à réparer les dégâts associés à l'atome PKA. Les chercheurs ont ainsi modélisé les comportements de ces matériaux à tous les niveaux, qui concernent les interactions entre les atomes (à la micro-échelle) et la propagation des dégâts dans les cristaux uniques et les multicouches de matériaux (à la méso-échelle) ainsi que sur l'ensemble (à la macro-échelle).

Les modèles ont permis aux scientifiques de prédire les caractéristiques de performances de l'élément réacteur lui-même. Des travaux expérimentaux complémentaires sur le comportement des matériaux se sont concentrés sur la création d'échantillons à film fin utilisant trois techniques établies.

Les partenaires du projet ont développé deux nouvelles méthodes pour la description des interactions microstructurelles et des défauts dans les matériaux avec des interfaces à couches multiples. Ils ont également défini les forces qui régissent les interactions entre les éléments atomiques présentant un intérêt.

Ils ont par ailleurs développé un code décrivant la dynamique de dislocations à la méso-échelle dans les structures multilamellaires, ainsi que les règles qui régissent l'interaction des interfaces et des défauts induits par le rayonnement. Finalement, les scientifiques ont synthétisé les composants multicouches présentant un intérêt et ils ont caractérisé leurs propriétés.

Le projet RADINTERFACES a développé les outils de modélisation multi-échelle nécessaires pour concevoir des composants de réacteur à partir de nouveaux matériaux multiphases cristallins aux propriétés d'autoréparation radicales. Les couches multiples avec de larges zones interfaciales devraient empêcher le gonflement engendré par un atome PKA, ce qui permettra d'allonger la durée de vie des réacteurs et de réduire les coûts de fonctionnement tout en renforçant la sécurité.

De plus, les technologies développées par le consortium pourraient déboucher sur des applications totalement nouvelles en électrochimie, avec des impacts majeurs sur les technologies industrielles existantes.

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Mots-clés

Nanosciences, énergie nucléaire, réacteur, rayonnement, gonflement sous irradiation, fluage d'irradiation, autoréparation, RADINTERFACES, atome knocked-on, électrochimie