De nouvelles recherches menées par des scientifiques de la Texas A&M University pourraient contribuer à augmenter l’efficacité des centrales nucléaires dans un avenir proche. En utilisant une combinaison de modélisation basée sur la physique et de simulations avancées, ils ont trouvé les principaux facteurs sous-jacents qui causent des dommages aux réacteurs nucléaires par rayonnement, ce qui pourrait ensuite donner un aperçu de la conception de matériaux plus tolérants aux rayonnements et à hautes performances.
« Les réacteurs doivent fonctionner à une puissance plus élevée ou utiliser des carburants plus longtemps pour augmenter leurs performances. Mais alors, à ces réglages, le risque d’usure augmente également », a déclaré le Dr Karim Ahmed, professeur adjoint au Département de génie nucléaire. « Donc, il y a un besoin urgent de trouver de meilleures conceptions de réacteurs, et un moyen d’atteindre cet objectif est d’optimiser les matériaux utilisés pour construire les réacteurs nucléaires. »
Les résultats de l’étude sont publiés dans la revue Frontières dans les matériaux.
Une étude du Dr Karim Ahmed et de son équipe pourrait aider à optimiser les matériaux des réacteurs nucléaires modernes afin qu’ils soient plus sûrs, plus efficaces et plus économiques.
Selon le ministère de l’Énergie, l’énergie nucléaire surpasse toutes les autres ressources naturelles en termes de puissance et représente 20 % de la production d’électricité des États-Unis. La source d’énergie nucléaire est constituée par les réactions de fission, dans lesquelles un isotope d’uranium se divise en éléments filles après un coup de neutrons en mouvement rapide. Ces réactions génèrent une chaleur énorme, de sorte que les pièces des réacteurs nucléaires, en particulier les pompes et les tuyaux, sont fabriquées avec des matériaux possédant une résistance et une résistance à la corrosion exceptionnelles.
Cependant, les réactions de fission produisent également un rayonnement intense qui provoque une détérioration des matériaux de structure du réacteur nucléaire. Au niveau atomique, lorsque le rayonnement énergétique s’infiltre dans ces matériaux, il peut soit faire tomber les atomes de leur emplacement, provoquant des défauts ponctuels, soit forcer les atomes à prendre des points vacants, formant des défauts interstitiels. Ces deux imperfections perturbent l’arrangement régulier des atomes au sein de la structure cristalline du métal. Et puis, ce qui commence par de minuscules imperfections se développe pour former des vides et des boucles de dislocation, compromettant les propriétés mécaniques du matériau au fil du temps.
Bien qu’il y ait une certaine compréhension du type de défauts qui se produisent dans ces matériaux lors de l’exposition aux rayonnements, Ahmed a déclaré qu’il a été difficile de modéliser comment le rayonnement, ainsi que d’autres facteurs, tels que la température du réacteur et la microstructure du matériau, ensemble contribuent aux défauts de formation et à leur croissance.
“Le défi est le coût de calcul”, a-t-il déclaré. « Dans le passé, les simulations étaient limitées à des matériaux spécifiques et à des régions s’étendant sur quelques microns, mais si la taille du domaine est augmentée jusqu’à 10 s de microns, la charge de calcul augmente considérablement. »
En particulier, les chercheurs ont déclaré que pour s’adapter à des tailles de domaine plus grandes, des études antérieures ont compromis le nombre de paramètres dans les équations différentielles de la simulation. Cependant, une conséquence indésirable de l’ignorance de certains paramètres par rapport à d’autres est une description inexacte des dommages causés par le rayonnement.
Pour surmonter ces limitations, Ahmed et son équipe ont conçu leur simulation avec tous les paramètres, ne faisant aucune hypothèse quant à savoir si l’un d’entre eux était plus pertinent que l’autre. En outre, pour effectuer les tâches désormais lourdes en termes de calcul, ils ont utilisé les ressources fournies par le groupe Texas A&M High Performance Research Computing.
Lors de l’exécution de la simulation, leur analyse a révélé que l’utilisation de tous les paramètres dans des combinaisons non linéaires donne une description précise des dommages causés par les radiations. En particulier, en plus de la microstructure du matériau, les conditions de rayonnement dans le réacteur, la conception du réacteur et la température sont également importantes pour prédire l’instabilité des matériaux due au rayonnement.
D’autre part, les travaux des chercheurs mettent également en lumière les raisons pour lesquelles les nanomatériaux spécialisés sont plus tolérants aux vides et aux boucles de dislocation. Ils ont découvert que les instabilités ne sont déclenchées que lorsque la frontière renfermant des amas de cristaux atomiques co-orientés, ou joint de grain, dépasse une taille critique. Ainsi, les nanomatériaux avec leurs tailles de grains extrêmement fines suppriment les instabilités, devenant ainsi plus tolérants aux rayonnements.
« Bien que la nôtre soit une étude théorique et de modélisation fondamentale, nous pensons qu’elle aidera la communauté nucléaire à optimiser les matériaux pour différents types d’applications de l’énergie nucléaire, en particulier de nouveaux matériaux pour les réacteurs qui sont plus sûrs, plus efficaces et plus économiques », a déclaré Ahmed. « Ces progrès finiront par augmenter notre contribution à une énergie propre et sans carbone. »
Référence : « Surface and Size Effects on the Behaviors of Point Defects in Irradiated Crystalline Solids » par Abdurrahman Ozturk, Merve Gencturk et Karim Ahmed, 10 août 2021, Frontières dans les matériaux.
DOI : 10.3389 / fmat.2021.684862
Le Dr Abdurrahman Ozturk, assistant de recherche au département de génie nucléaire, est l’auteur principal de cet ouvrage. Merve Gencturk, étudiante diplômée au département de génie nucléaire, a également contribué à cette recherche.
