La recherche fondamentale résout un problème appliqué qui persistait depuis près d'un demi-siècle : la prédiction quantitative du gonflement sous irradiation neutronique par irradiation ionique

La sécurité de fonctionnement à long terme des systèmes d'énergie nucléaire avancés dépend de la capacité des matériaux de structure à résister à l'endommagement par irradiation neutronique. Les neutrons créent un grand nombre de défauts à l'échelle atomique dans les matériaux ; ces défauts s'agrègent progressivement en nanocavités, provoquant finalement un gonflement des matériaux, une instabilité dimensionnelle et une dégradation des performances. Cependant, l'obtention de données d'irradiation neutronique à haute dose nécessite souvent plusieurs années, voire plus d'une décennie, avec des coûts élevés et des échantillons radioactifs après irradiation. En revanche, l'irradiation ionique peut simuler en quelques jours les dommages accumulés sur plusieurs années et est donc largement utilisée (environ 95 % des données expérimentales d'irradiation dans la littérature existante proviennent de l'irradiation ionique). Mais le débit de dose de l'irradiation ionique est généralement supérieur de 3—4 ordres de grandeur à celui de l'irradiation neutronique, et les résultats des deux méthodes sont difficiles à convertir directement. Récemment, l'équipe de recherche de Wang Chenxu et Wang Yugang de l'Institut de physique des ions lourds, Faculté de physique, Université de Pékin, et du Laboratoire clé national de physique nucléaire et de technologie nucléaire, en collaboration avec des chercheurs de l'Université du Tennessee et d'autres institutions, a établi, à température fixe, une relation quantitative entre le gonflement des matériaux et la dose d'irradiation ainsi que le débit de dose, sur la base de simulations de dynamique d'amas, de dérivations théoriques et d'expériences d'irradiation ionique. Ils ont ainsi réalisé la prédiction du gonflement sous irradiation neutronique à l'aide d'une irradiation ionique rapide, fournissant un nouvel outil pour le criblage rapide et l'évaluation de la durée de vie des matériaux nucléaires.

Figure 1 L'irradiation ionique permet d'obtenir des données à haute dose en quelques jours, tandis que l'irradiation neutronique nécessite souvent plusieurs années ; cette étude établit une voie de prédiction quantitative entre les deux.

La dose d'irradiation peut être comprise comme le « volume total de pluie » d'un épisode pluvieux, tandis que le débit de dose correspond à « l'intensité des précipitations ». Pour un même volume total de pluie, une bruine continue sur dix jours et une averse concentrée sur une journée n'ont pas les mêmes effets sur le sol. Il en va de même dans les matériaux : un débit de dose élevé fait coexister davantage de défauts, modifiant les processus concurrents de recombinaison, d'agrégation et de migration des défauts ; une même dose ne produit pas nécessairement le même degré de gonflement. En 1978, Mansur a proposé la méthode d'équivalence par décalage de température (Temperature-shift), qui compense la différence de débit de dose en augmentant la température d'irradiation ionique, mais aucune avancée théorique n'a été réalisée depuis 48 ans, et cette méthode ne s'applique principalement qu'aux doses relativement faibles, avec une prédiction peu fiable aux doses élevées. Par conséquent, la manière de franchir le fossé des débits de dose et d'établir un modèle d'équivalence quantitative ion-neutron est la clé pour une évaluation fiable de la résistance à l'irradiation des matériaux nucléaires, et constitue un problème de recherche qui persiste depuis près d'un demi-siècle dans ce domaine.

Figure 2 Schéma de l'effet du débit de dose : un débit de dose élevé fait coexister davantage de défauts et favorise la nucléation de défauts tels que les cavités et les boucles de dislocations.

En partant des processus physiques de formation et de croissance des cavités, l'équipe de recherche a proposé de manière innovante une voie de recherche différente : au lieu de tenter de compenser la différence de débit de dose en ajustant la température, elle a directement établi, à température fixe, une relation quantitative entre le gonflement des cavités et la dose d'irradiation ainsi que le débit de dose, sur la base de la réponse du matériau lui-même à l'irradiation. Ce cadre physique permet de décrire le comportement de gonflement non linéaire de différents matériaux, de la phase d'incubation à la phase de croissance rapide jusqu'aux stades de haute dose, et a été validé par de nombreuses données expérimentales sur des aciers inoxydables austénitiques, des aciers ferritiques/martensitiques et d'autres types de matériaux. Des expériences complémentaires d'irradiation ionique ont montré qu'il suffit d'utiliser des données ioniques à différentes doses et débits de dose à la même température pour déterminer les paramètres du modèle et prédire avec succès les résultats d'irradiation neutronique dans les réacteurs à neutrons rapides.

Figure 3 Résultats de validation du modèle dans l'extrapolation à haute dose, la conversion de dose équivalente et la prédiction du gonflement ion-neutron.

La percée clé de ce travail réside dans le fait qu'il résout simultanément deux problèmes essentiels de la prédiction du gonflement sous irradiation : d'une part, il permet de prédire le gonflement sous irradiation neutronique à haute dose à partir de données d'irradiation neutronique à faible dose ; d'autre part, il permet de prédire le gonflement sous irradiation neutronique à faible débit de dose, différant de plusieurs ordres de grandeur, à partir du gonflement sous irradiation ionique à haut débit de dose. De plus, comme cette méthode sépare avec succès les paramètres du matériau des paramètres d'irradiation, elle peut être appliquée aux alliages complexes, fournissant un outil quantitatif pour le criblage rapide, l'évaluation des performances à long terme et la conception sûre des matériaux de structure nucléaires, avec une valeur particulièrement importante pour le développement des matériaux des futurs réacteurs de fusion, qui ne disposent pas de conditions de neutrons de fusion.

Cette recherche, intitulée « Bridging Ion and Neutron Irradiation: A Predictive Framework for Swelling in Structural Alloys », a été publiée en juillet 2026 dans PRX Energy. Chen Denghuang, doctorant de la promotion 2023, Ge Wei, docteur de la promotion 2022, et Luo Fengping, docteur de la promotion 2025, de l'Institut de physique des ions lourds, Faculté de physique, Université de Pékin, sont les premiers auteurs co-principaux de l'article, et Wang Chenxu et Wang Yugang en sont les auteurs de correspondance co-principaux. Cette recherche a bénéficié du soutien de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et du Programme spécial national de recherche sur le développement de l'énergie de fusion par confinement magnétique.