Le MEPhI s'est penché sur les matériaux pour les futurs réacteurs thermonucléaires

Les chercheurs de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI ont découvert comment le changement de la nanostructure des matériaux pour les futurs réacteurs énergétiques impactait leur plasticité, leur résistance thermique et d'autres propriétés importantes.

Aujourd'hui, l'élaboration de nouveaux réacteurs à neutrons rapides et la conception d'un réacteur thermonucléaire fonctionnel comptent parmi les domaines les plus prometteurs dans le secteur de l'énergie nucléaire. Les premiers travaux permettront de boucler le cycle combustible nucléaire et de rendre l'énergie nucléaire plus écologique. Les seconds permettront de produire l'énergie d'une manière foncièrement nouvelle à l'avenir. Le projet le plus connu aujourd'hui, appelé à se rapprocher de l'apparition de réacteurs énergétiques thermonucléaires, est l'ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor ).

L'une des difficultés dans la conception de nouveaux systèmes énergétiques est qu'ils impliquent tous la présence de conditions extrêmes dans la zone de fabrication d'énergie. Les matériaux qui seront utilisés dans les zones actives des nouveaux réacteurs sont donc soumis à des exigences incroyablement élevées. Les matériaux modernes soumis aux hautes températures et aux flux de rayonnement hautement énergétique se dégradent rapidement. Les plus solides d'entre eux résistent à des doses radioactives où chaque atome de la substance se déplace 80-90 fois. Pour les réacteurs énergétiques thermonucléaires, l'exigence est deux fois plus élevée. C'est donc la résistance des matériaux dans la zone de production d'énergie qui déterminera l'efficacité et la sécurité du réacteur nucléaire.

Les chercheurs de l'Université nationale de recherche nucléaire MEPhI pensent qu'il n'est possible de régler ce problème que grâce aux nanotechnologies. Les aciers martensitiques et ferritiques sur base des alliages Fe-Cr et les aciers durcis par dispersion d'oxyde sont considérés comme prometteurs pour les futurs réacteurs. Dans leurs travaux, les scientifiques ont réussi à faire une démonstration expérimentale des mécanismes de reconstitution à l'échelle atomique de ces matériaux, ainsi qu'à montrer la répartition des atomes conduisant à une augmentation significative de leur fragilité et une perte d'élasticité. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans les revues spécialisées Journal of Nuclear Materials et Journal of Nuclear Materials and Energy.

L'utilisation des nanostructures pourrait changer significativement les propriétés des matériaux de construction et ainsi réduire considérablement la durée d'exploitation des zones actives de réacteur fabriquées sur la base de ces matériaux. Dans certains cas, au contraire, les chercheurs arrivent à créer des changements nanostructurels qui élargissent significativement les possibilités d'utilisation des matériaux et leur confèrent des propriétés uniques, par exemple une haute résistance thermique.

Dans leurs expériences, les spécialistes ont soumis à différents réacteurs les alliages Fe-Cr et les aciers durcis par dispersion d'oxyde, puis, à l'aide d'une sonde atomique tomographique, ils relevaient les changements des matériaux à l'échelle nanométrique.

« Dans nos travaux nous avons analysé à l'échelle nanométrique l'état des matériaux et leur restructuration sous différents effets. Nous avons réalisé un vieillissement thermique, puis en utilisant des faisceaux d'ions de métaux nous avons découvert que leur impact pouvait conduire à la fragmentation de la nanostructure », a déclaré à RIA Novosti Sergueï Rogojkine, directeur adjoint de la chaire de physique des états extrêmes de la matière à l'Institut de physique nucléaire et des technologies du MEPhI.

D'après l'expert, les résultats de l'étude pourraient être utilisés aussi bien pour la création des matériaux pour l'ITER que pour les futurs systèmes énergétiques. « L'objectif de l'ITER est de montrer que le concept du réacteur thermonucléaire est fonctionnel. Les exigences envers les matériaux à cette étape sont sérieuses, mais le système thermonucléaire de prochaine génération créera des conditions encore plus extrêmes. Pour y travailler sont élaborés des matériaux foncièrement nouveaux, y compris ceux que nous étudions actuellement », explique l'expert.

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