Concrete World : des ingénieurs améliorent l’acier renforcé pour contenir les déchets nucléaires de haute activité

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Old Concrete Failing

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Vieux béton défaillant

2,5 billions de dollars sont dépensés dans le monde pour évaluer, atténuer et réparer la corrosion des infrastructures, selon le professeur adjoint de Penn State Juan Pablo Gevaudan. Il dirige une équipe qui étudie comment empêcher sa dégradation omniprésente.

Les métaux noyés dans le béton peuvent s’éroder, rouiller et s’affaiblir jusqu’à ce que le béton se fende et que la structure qu’il supporte tombe. Une telle corrosion est considérée comme l’un des principaux problèmes qui ont aggravé les dommages qui ont conduit à l’effondrement de la copropriété de Surfside, en Floride, le 24 juin 2021, selon le département américain du Commerce. Institut national des normes et de la technologie (NIST).

Cette corrosion est l’un des plus grands défis mondiaux en matière de durabilité des infrastructures dans tous les domaines, selon Juan Pablo “JP” Gevaudan, professeur adjoint d’ingénierie architecturale et chercheur principal d’une subvention de 800 000 $ sur trois ans du Département américain de l’énergie (DOE) Programme universitaire sur l’énergie nucléaire qui explorera plus avant la science de la dégradation par corrosion électrochimique du béton telle qu’elle s’applique aux déchets nucléaires de haute activité (HLNW).

Définis par le DOE comme toute matière radioactive nécessitant un isolement permanent, les HLNW peuvent résulter du traitement du combustible nucléaire et produire des radionucléides, des atomes radioactifs intrinsèquement instables et nocifs pour la vie. Actuellement, le HLNW est conditionné dans des bidons métalliques et noyé dans du béton. Les collaborateurs du Gévaudan comprennent Andrea Argüelles, professeur adjoint de sciences de l’ingénieur et de mécanique, et Rebecca Napolitano, professeur adjoint d’ingénierie architecturale.

« Comprendre et prévenir la corrosion, en particulier dans les infrastructures, est l’un de nos grands défis mondiaux en matière de durabilité », a déclaré Gevaudan. « La science de la dégradation du béton s’applique à de nombreux domaines d’ingénierie, et nous voulons tous améliorer notre infrastructure. »

Selon Gevaudan, lorsque lui et ses collaborateurs ont appris les défis de la fin de vie des cycles du combustible nucléaire, ils ont immédiatement vu une synergie entre l’objectif de l’ingénierie architecturale d’améliorer la durabilité de l’environnement bâti et l’objectif du DOE d’étudier la corrosion dans les Des conteneurs métalliques HLNW pour prolonger la durée de vie de l’infrastructure de stockage des déchets nucléaires. Pour étendre cette synergie à travers University Park, a déclaré Gevaudan, l’équipe a déjà rencontré des professeurs du département de génie nucléaire de Ken et Mary Alice Lindquist pour identifier les domaines dans lesquels leurs travaux pourraient s’aligner, et ils prévoient de poursuivre leurs discussions sur les domaines de recherche convergente. .

Appareil de spectroscopie d'impédance ultrasonore-électrochimique

L’équipe de recherche dirigée par Gevaudan a conçu le tout premier dispositif combiné de spectroscopie d’impédance électrochimique ultrasonore, connu sous le nom d’UT-EIS, pour évaluer de manière non destructive la résistance à la corrosion entre les nouveaux matériaux tampons en ciment et les conteneurs de déchets nucléaires de haute activité. Crédit : Penn State/Juan Pablo Gévaudan

“Dans ce projet unique, notre objectif est de créer un nouveau matériau capable de protéger les conteneurs métalliques HLNW, qui contiennent les sous-produits des déchets des réactions qui se produisent dans les réacteurs nucléaires”, a déclaré Gevaudan. «Nous espérons que nous développerons un nouveau matériau tampon à base de ciment qui peut immobiliser les radionucléides nocifs qui, dans une situation critique, pourraient s’échapper des conteneurs HLNW et empêcher les déchets d’atteindre l’environnement et les humains, ce qui serait une catastrophe.»

Pour ce projet, Gevaudan s’appuiera sur les avancées récentes de son groupe de recherche, le groupe de recherche Responsive and Adaptive Infrastructure Materials (Re-AIM), en utilisant les interactions de la chimie organique et inorganique pour développer des matériaux de béton modernes et conçus avec précision. Pour prédire la dégradation au fil du temps de ces nouveaux matériaux tampons, Napolitano créera des jumeaux numériques de systèmes pour modéliser les solutions proposées et tester les résultats potentiels. Argüelles utilisera des tests par ultrasons de l’interface métallique dans un arrangement sur mesure pour évaluer de manière non destructive le potentiel de corrosion de différentes formulations de matériaux tampons. Ensemble, l’équipe prévoit de passer les 18 premiers mois de la période de subvention, qui commence en octobre, à développer un béton qui peut lier les déchets nocifs s’échappant de la cartouche métallique d’un réacteur. Au cours des 18 derniers mois, ils prévoient d’améliorer le matériau tampon pour aider à prévenir la corrosion de la cartouche métallique en premier lieu.

« On dit que l’acier d’armature et le béton sont les meilleurs amis », a déclaré Gevaudan. « Les propriétés microstructurales du béton permettent à l’acier de développer une couche passive, une sorte de coque protectrice qui le protège de la corrosion, mais elle peut se décomposer en raison de l’âge ou des agresseurs environnementaux. Le matériau que nous développons créera une couche passive qui empêchera la corrosion sur des milliers, voire des millions d’années. »

Pour aider à obtenir un matériau durable et efficace, a déclaré Gevaudan, l’équipe achète un réacteur automatisé à Mettler Toledo, une société qui produit des instruments de précision pour une gamme de domaines. Avec le réacteur, les chercheurs peuvent synthétiser des matériaux de ciment modernes avec les propriétés souhaitées dans des conditions contrôlées avec précision avec une répétabilité élevée. La machine permet également de suivre les phases formées dans les nouveaux ciments, ce qui permet aux chercheurs d’en savoir plus sur les configurations minérales spécifiques qui évoluent à mesure que le matériau cimentaire est créé.

“Nous serons en mesure d’identifier rapidement quelle phase lie le mieux les radionucléides d’intérêt, ce qui nous aidera à accélérer le développement du matériau”, a déclaré Gevaudan. “Cette subvention nous a permis d’apporter cette technologie de pointe à la recherche sur le ciment, qui a traditionnellement utilisé des méthodologies bloquées dans le passé.”

La subvention aidera également à financer les étudiants-chercheurs pour travailler sur le projet alors qu’ils terminent leurs diplômes en génie architectural, génie chimique, sciences de l’ingénieur et mécanique et acoustique, ainsi que dans d’autres disciplines connexes. Gevaudan a déclaré que l’équipe prévoyait de se développer et s’intéressait particulièrement aux étudiants qui sont traditionnellement sous-représentés en ingénierie et poursuivent des études supérieures.

« Outre la science, l’un des aspects les plus gratifiants de ce projet est la constitution de notre équipe », a déclaré Gevaudan. « Ce projet symbolise un effort de groupe dirigé par trois membres du corps professoral en début de carrière qui sont tous sous-représentés en génie. Nous avons travaillé dur pour obtenir cette subvention, et je suis fier du travail que nous avons fait et que nous continuerons de faire pour lutter contre la corrosion de l’acier dans toutes les disciplines, l’un des défis de dégradation les plus répandus que nous ayons à relever.

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