Dans le monde occidental, les normes de sécurité pour les centrales nucléaires sont très élevées en matière de sélection, utilisation et surveillance des matériaux. Les exigences varient toutefois en fonction de la sollicitation appliquée, du niveau de sûreté exigé et de la durée de vie attendue pour les différents composants, et ces conditions doivent être remplies tant pour le fonctionnement normal qu'en cas d'incidents. Certaines parties d'une centrale nucléaire, telles que les éléments combustibles, mais également les pompes ou les corps de soupape, n'ont initialement été conçues que pour une durée de vie limitée, alors que d'autres éléments, surtout les grands composants, tels que la cuve d'un réacteur à pression, doivent en principe durer globalement aussi longtemps que la centrale nucléaire
Au PSI, on étudie le comportement des éléments destinés à une utilisation prolongée. Ainsi, les chercheurs s'intéressent à l'importance de la corrosion fissurante sous contrainte dans les matériaux, ou aux conséquences de puissants rayonnements radioactifs qui peuvent être déterminées au niveau des composants après leur utilisation dans la centrale nucléaire ou après un sinistre. Ces observations permettent de tirer des conclusions sur les mécanismes de vieillissement, de corrosion ou de détérioration.
Quel que soit l'endroit où il est monté, tout matériau est soumis à des processus de vieillissement au fil du temps, et ce par des détériorations structurales aussi minimes soient elles. L'un des sujets de recherche des chercheurs en matériaux du PSI est de découvrir à quoi elles ressemblent, à quels mécanismes elles sont soumises et si cette observation à un moment t permet d'en déduire un pronostic. L'objectif de la recherche est alors de d'augmenter en permanence la sécurité des centrales nucléaires existantes et futures. Dans ce but, les chercheurs étudient de minuscules échantillons de quelques nanomètres (nano est un préfixe qui vient du grec et qui correspond à un milliardième d'une unité physique – un nanomètre est par conséquent un milliardième de mètre ou un millionième de millimètre).
bestrahltem Material. Die Experten des PSI können damit definiert eine Kraft auf
das Probenmaterial bringen und auf elektronischem Wege gleichzeitig den Weg messen
– bis der Stempel bricht. Damit erkennen sie, ob ein Werkstoff unter Bestrahlung
seine Härte verändert hat. Diese sogenannten Pillars haben nur einen Durchmesser von 800 Nanometer.
Micro et nano-indentation
Deux raisons d'utiliser des échantillons microscopiques: d'une part, les éléments à examiner présents dans le réacteur doivent être aussi peu perturbés que possible pour qu'ils ne perdent pas de leur stabilité du fait des examens. Dans ce cas, les détériorations sont si petites lors du prélèvement de l'échantillon que l'on peut roder le point de prélèvement. D'autre part, les échantillons doivent être extrêmement petits et fins, pour que les chercheurs puissent faire leurs analyses avec des ions – c'est-à-dire des atomes chargés – qui ne possèdent qu'une faible profondeur de pénétration dans les matériaux.
En principe, les scientifiques essaient de découvrir si un échantillon de matériaux, qui a été exposé à un rayonnement, se comporte différemment sous contrainte qu'un échantillon qui n'a été soumis à aucun rayonnement radioactif. Dans le cas des micro- et nano-indentations utilisées par les experts en matériaux, on commence par appliquer une charge, préalablement déterminée avec précision, avec un indenteur pointu sur le matériau à examiner, puis on mesure la manière dont les diagonales de l'empreinte se présentent: si elles sont très courtes, le matériau est dur, si elles sont larges et profondes, alors il est mou. On peut aussi utiliser des micropiliers sur lesquels on exerce une pression avec un indenteur. Ces micropiliers ont un diamètre de seulement 800 nanomètres et sont par conséquent environ 150 fois plus fins qu'un cheveu humain. Grâce à cette méthode, les chercheurs peuvent exercer une force contrôlée sur les indenteurs tout en mesurant la compression. Ainsi les scientifiques créent des courbes de contrainte-déformation qui leur permettent de repérer précisément si un matériau a perdu de sa dureté lorsqu'il est soumis à des irradiations.
Les mesures sont complétées par des modélisations
Mesurer et contrôler, c'est une chose. Mais pour un pronostic à long terme, les modélisations et les simulations sur ordinateur sont au moins tout aussi importantes. Après tout, les futurs réacteurs doivent fournir de l'énergie de manière fiable pendant 60 années ou plus. C'est pourquoi les ingénieurs doivent savoir si les matériaux prévus pour la construction vont rester stables pendant tout ce temps ou s'ils vont éventuellement se fragiliser.
Pour faire de telles estimations, les chercheurs utilisent des calculs atomistiques ainsi que thermodynamiques. On espère, par exemple, pouvoir déterminer le rôle joué par le magnétisme dans les processus grâce à l'interaction entre les expériences et la modélisation à différentes échelles temporelles et spatiales. À ce sujet, les avis des professionnels sont très divergents. Mais la réponse à cette question a une influence directe sur la microstructure des matériaux et sur les propriétés mécaniques qui en résultent. Pour le système fer-chrome, le PSI a fait des calculs précis. On a par exemple étudié le développement et le déplacement des anomalies ou des défauts au niveau atomique lorsqu'ils sont soumis à un rayonnement. Grâce aux installations disponibles au PSI, les scientifiques peuvent immédiatement vérifier leurs modèles dans la pratique. Avec les rayons X de la Source de lumière synchrotron suisse SLS, on a par exemple pu mettre en évidence la formation et la dynamique de domaines de même aimantation ou de même structure géométrique ou chimique dans le système fer-chrome.
Sous exposition aux radiations, les dimensions n'ont plus aucune importance
Dans le domaine des matériaux ODS Oxide-Dispersion-Strengthened, les chercheurs du PSI ont fait une découverte qui a fait grand bruit. Il s'agit en fait d'alliages d'acier commerciaux que l'on envisage d'utiliser pour la construction des réacteurs dans les centrales électriques modernes. Ils contiennent de minuscules inclusions céramiques – appelées dispersoïdes – composées d'oxyde d'yttrium, et qui ont généralement un diamètre de quelques nanomètres. On sait désormais qu'à des températures élevées, plus les inclusions sont petites plus cet alliage est solide. Lorsque les scientifiques ont fait les mêmes tests à des températures élevées, mais cette fois sous exposition aux radiations, ils ont tout à coup constaté que la dimension des dispersoïdes n'avait plus aucune influence sur la résistance au fluage (résistance contre la déformation). Personne ne s'attendait à un tel résultat. L'industrie a toutefois beaucoup investi pour doter ces alliages d'ajouts aussi fins que possibles. Mais on sait maintenant que cela n'a aucune importance, du moins pour le comportement induit par les rayonnements dans le cas de ce matériau.