Le Laboratoire national de Brookhaven aux États-Unis développe un outil d'imagerie par rayons X intégré pour la recherche sur les matériaux nucléaires

Une équipe de recherche du Laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis a récemment développé et mis en place un nouveau dispositif expérimental intégrant quatre techniques de tomographie par ordinateur à rayons X dans un seul instrument, permettant de mener des recherches multi-échelles et globales sur les matériaux des réacteurs nucléaires de nouvelle génération. Les résultats techniques et la démonstration des capacités ont été publiés dans le Journal of Synchrotron Radiation.

Ce dispositif est situé sur la ligne de lumière de diffraction des poudres par rayons X (XPD) de la Source nationale de lumière synchrotron II (NSLS-II) des États-Unis, et a été construit sous la commande conjointe du programme des installations utilisateurs en sciences nucléaires du Bureau de l'énergie nucléaire du Département de l'énergie des États-Unis, du département des sciences nucléaires et de la sûreté du Laboratoire national de Brookhaven, ainsi que du NSLS-II. Les chercheurs indiquent que les matériaux des réacteurs nucléaires de nouvelle génération sont exposés à long terme à des environnements extrêmes tels que les rayonnements, la corrosion, les hautes températures et les contraintes mécaniques ; les méthodes de recherche traditionnelles nécessitent souvent plusieurs équipements et de multiples procédures expérimentales pour obtenir des informations relativement complètes, alors que le nouveau dispositif peut réaliser plusieurs analyses d'imagerie sur un même échantillon.

Les quatre techniques intégrées dans ce dispositif comprennent la tomographie par absorption de rayons X, la tomographie par fluorescence de rayons X, la tomographie par diffraction de rayons X et la tomographie par fonction de distribution de paires. Ces différentes techniques peuvent respectivement révéler la structure physique de l'échantillon, la composition et la distribution des éléments, l'arrangement atomique des matériaux cristallins, ainsi que les informations sur la structure locale des matériaux amorphes. Grâce aux rayons X « durs » de haute énergie produits par la ligne de lumière XPD, les chercheurs peuvent pénétrer et analyser des matériaux à haute densité et à numéro atomique élevé tels que l'acier et le combustible nucléaire ; en outre, le faisceau peut être focalisé jusqu'à environ 15 micromètres de largeur, permettant d'obtenir des cartographies structurelles et de composition chimique à haute résolution spatiale.

Les chercheurs du Laboratoire national de Brookhaven expliquent que les rayonnements peuvent modifier la structure des matériaux, introduire des défauts et entraîner une redistribution des éléments. En utilisant simultanément les quatre techniques de tomographie par ordinateur, les chercheurs peuvent localiser les zones où se produisent les changements chimiques et les relier aux variations de résistance et de fragilité des matériaux, établissant ainsi plus clairement la relation entre la structure, la composition et les performances.

Pour valider les performances de ce dispositif, l'équipe de recherche a préparé un échantillon de test contenant des fils métalliques de différentes tailles et compositions ainsi que divers matériaux en poudre. Les résultats expérimentaux montrent que le système peut simultanément identifier la position des différents éléments, le mode d'arrangement atomique et la structure des matériaux. Si les quatre types de tests étaient réalisés séparément avec différents instruments, cela pourrait prendre plusieurs heures voire plusieurs jours ; le dispositif intégré a permis de réaliser l'expérience en environ 6 heures. L'équipe de recherche travaille à l'amélioration de l'équipement, espérant réduire le temps de test à moins de 30 minutes, afin d'améliorer l'efficacité expérimentale et d'élargir les capacités d'accès des utilisateurs.

Outre la recherche sur les matériaux nucléaires, ce dispositif a également été utilisé pour sonder la structure interne de matériaux poreux dans la restauration des eaux et les technologies énergétiques, et soutient actuellement la recherche sur les processus de charge et de décharge des batteries ainsi que sur d'autres matériaux dans des conditions extrêmes. Les chercheurs indiquent que cette nouvelle station expérimentale aidera la communauté scientifique à étudier les matériaux pour les applications nucléaires et les domaines connexes d'une manière difficilement réalisable par le passé, fournissant un soutien au développement des matériaux des réacteurs nucléaires de nouvelle génération.