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Analyse thermique des matériaux nucléaires

Ernest Rutherford est celui qui, en 1911, a postulé un modèle atomique capable d’expliquer le comportement de la matière que les scientifiques avaient observé jusqu’alors. Il était clair qu’il existait une sorte de “kit de construction” élémentaire composé de différentes sortes de particules les plus petites, appelées atomes, capables d’interagir les unes avec les autres pour former des agglomérations plus grandes, appelées molécules. Il a développé un modèle décrivant les atomes comme des particules sphériques constituées de protons chargés positivement, de neutrons neutres et d’électrons chargés négativement. Les protons et les neutrons étaient également responsables de la masse de l’atome, les électrons n’ayant pratiquement aucune masse. La masse contenant les protons et les neutrons était située dans le noyau atomique qui était considérablement petit et les électrons étaient situés dans une coque de très grand diamètre (voir Fig.4).

Fig.4 : Développement du modèle atomique de Rutherford : Partant du principe que les atomes sont des structures sphériques contenant des particules positives et négatives, il a découvert que les porteurs de charge négative sont situés dans ce que l'on appelle la coque atomique.

Fig.4 : Développement du modèle atomique de Rutherford : Partant du principe que les atomes sont des structures sphériques contenant des particules positives et négatives, il a découvert que les porteurs de charge négative sont situés dans ce que l’on appelle la coque atomique.

Aujourd’hui, nous savons que cette description élémentaire des atomes est correcte en général, à part le fait que les orbites des électrons sont beaucoup plus complexes que ce que Rutherford postulait. Le modèle de Rutherford est toujours utilisé à l’école pour expliquer la configuration fondamentale des atomes et leur nature. Mais Rutherford n’a pas seulement postulé le modèle atomique, il a aussi, comme nous l’avons mentionné, été capable d’expliquer la radioactivité, Curie un Becquerel avait découvert. Lorsque la radioactivité a été découverte, on pensait que les atomes étaient les plus petites particules existantes. Il n’était pas évident qu’ils soient capables de se décomposer en atomes plus petits en émettant des rayonnements, de l’énergie et des particules. Cependant, le fait qu’ils émettent des particules et des rayonnements semblait logique s’ils étaient considérés comme structurés de la manière dont Rutherford l’avait postulé (voir figure 5). Les trois types de rayonnement connus ont alors été classés en rayonnement alpha (émission de particules), rayonnement bêta (émission d’électrons) et rayonnement gamma (émission d’énergie électromagnétique). Plus tard, l’irradiation des particules a été séparée en irradiation alpha (particules alpha / noyaux d’hydrogène) et émission de neutrons, tandis que l’irradiation gamma a été séparée en rayons X et rayons Y selon la longueur d’onde. Entre-temps, nous savons que le rayonnement radioactif est causé par la fission nucléaire, soit par la fission statistique de matières radioactives, soit par une réaction en chaîne ou une réaction de fusion.

Fig.5: Radioavtive atoms undergo nuclear fission. The unstable atomic cores collapse into smaller cores by sending out particles, radiation and energy

 

 

 

Fig.5 : Les atomes radioactifs subissent une fission nucléaire. Les noyaux atomiques instables s’effondrent en noyaux plus petits en émettant des particules, des radiations et de l’énergie.

Les atomes qui ont une masse atomique élevée (plus lourds que le plomb et le bismuth) ne sont pas stables et leur noyau se décompose en atomes plus petits en émettant des radiations. Ces éléments qui subissent une fission statistique sont appelés éléments radioactifs. Le type de rayonnement qu’ils émettent dépend de leur masse atomique et de la nature de la structure de leur noyau. Les différents types de rayonnement sont illustrés à la figure 6. Comme on peut le voir, les différents types de rayonnement sont susceptibles de pénétrer la matière, ce qui rend difficile le contrôle de celle-ci une fois le rayonnement émis. Et selon le type de rayonnement, il peut transformer des atomes non radioactifs en matière radioactive. Si la matière est exposée à un rayonnement radioactif, elle peut modifier sa structure en devenant elle-même radioactive. Dans le cas des formes de vie ou des humains, cela peut avoir une influence dévastatrice car la radioactivité ne peut pas être détectée biologiquement, mais elle est très dangereuse car elle peut faire muter les cellules ou même brûler la matière organique.

Fig.6 : Différents types de rayonnement radioactif et leur potentiel de pénétration de différents types de matière solide

Fig.6 : Différents types de rayonnement radioactif et leur potentiel de pénétration de différents types de matière solide

Utilisation industrielle de la radioactivité

Fig.7 : Configuration typique d'un réacteur nucléaire. À gauche : le cœur avec le combustible nucléaire et deux boucles d'eau ; au milieu : la turbine pour la production d'électricité et le condenseur ; à droite : la tour de refroidissement.

Fig.7 : Configuration typique d’un réacteur nucléaire. À gauche : le cœur avec le combustible nucléaire et deux boucles d’eau ; au milieu : la turbine pour la production d’électricité et le condenseur ; à droite : la tour de refroidissement.

Alors que la radioactivité était connue depuis le début du 20e siècle et que de nombreux scientifiques travaillaient sur ce nouveau domaine intéressant, il a fallu attendre 1938 pour qu’Otto Hahn et ses collègues découvrent enfin la fission nucléaire et la possibilité de la contrôler. Dans les années qui ont suivi, la Seconde Guerre mondiale a eu lieu, ce qui explique que l’une des premières utilisations de cette découverte ait été de nature militaire. Mais depuis les années 1950, l’énergie nucléaire est la source d’énergie la plus importante dans le monde. Avec l’avantage d’une alimentation en énergie propre et bon marché, les réacteurs nucléaires ont fait l’objet d’une amélioration continue au cours des 50 dernières années. Les réacteurs de quatrième génération, tels que les réacteurs à très haute température (VHTR) ou les réacteurs rapides refroidis au sodium (MSR), sont actuellement en cours de développement et constitueront l’avenir de l’énergie nucléaire. L’installation générale d’un réacteur à cœur est illustrée à la figure 7 : un ensemble de barres de combustible nucléaire est placé dans une chambre (dans la plupart des cas dans un bain-marie), ce qui crée de la chaleur. L’eau chauffée est transférée vers une deuxième boucle d’eau qui alimente un système de turbine à vapeur et est retransférée à travers un condenseur. Le condenseur est couplé à l’eau environnementale qui est utilisée pour le refroidissement. Cette eau de refroidissement est ce que l’on peut voir comme la vapeur blanche qui s’échappe des grandes tours de refroidissement qui sont emblématiques des centrales nucléaires.

Combustible nucléaire

L’utilisation technique de la radioactivité est principalement basée sur la réaction nucléaire en chaîne, un concept dans lequel la fission d’un noyau radioactif provoque de multiples événements de fission dans les atomes voisins en émettant des neutrons. (voir fig.8) Habituellement, l’uranium et ses sels sont utilisés comme source de neutrons. Cependant, les espèces naturelles d’uranium sont dominées par 98% d’U238 qui n’émet pas beaucoup de neutrons lorsqu’il subit une fission. Par conséquent, il faut d’abord accumuler l’uranium U235. Il s’agit d’un processus au cours duquel les 1 % d’espèces d’U235 de l’uranium naturel sont séparés dans un processus complexe par centrifugation gazeuse. Le résultat est de l’uranium avec une teneur beaucoup plus élevée en U235 qui émet suffisamment de neutrons pour déclencher une réaction en chaîne ou un processus de fission continu auto-entretenu. Pour les réacteurs nucléaires, une teneur en U235 d’au moins 20 % est nécessaire, tandis que dans la technique d’armement, cette teneur doit être nettement plus élevée. Dans une centrale nucléaire, les barres de combustible sont constituées d’uranium accumulé (voir fig.9). Ces barres sont placées dans des structures en réseau contenant des barres de contrôle passives et des barres de réaction actives. Les barres de contrôle passives sont constituées de matériaux inactifs qui arrêtent la réaction en chaîne en “attrapant” les neutrons, tandis que les barres actives émettent des neutrons et font fonctionner la cascade de réactions en chaîne. Lorsqu’elle est correctement contrôlée, la réaction est dans un état stable et s’auto-entretient, émettant constamment de la chaleur qui crée de la vapeur pour la turbine. En outre, dans la plupart des réacteurs, un système robotique mécanique peut remplacer les barres de combustible actif usagées par des barres neuves. Grâce à cette configuration, le réacteur peut fonctionner en permanence et créer de l’énergie à la demande, indépendamment de tout combustible fossile, du vent ou de la lumière du soleil.

Fig.9 : Les barres de combustible nucléaire sont constituées de pastilles remplies d'uranium qui sont disposées en pile (barreau) et placées dans une matrice de plusieurs barres de contrôle et de réaction.

Fig.9 : Les barres de combustible nucléaire sont constituées de pastilles remplies d’uranium qui sont disposées en pile (barreau) et placées dans une matrice de plusieurs barres de contrôle et de réaction.

 

Fig.8 : Dans la plupart des cas, l'U235 est utilisé comme source d'énergie. Lorsqu'il est frappé par un neutron, le noyau s'effondre et forme de nouvelles espèces, libérant davantage de neutrons qui peuvent réagir en cascade avec d'autres noyaux d'U235.

Fig.8 : Dans la plupart des cas, l’U235 est utilisé comme source d’énergie. Lorsqu’il est frappé par un neutron, le noyau s’effondre et forme de nouvelles espèces, libérant davantage de neutrons qui peuvent réagir en cascade avec d’autres noyaux d’U235.

Inconvénients de l’énergie nucléaire

Une fois utilisés, les crayons de combustible nucléaire sont généralement soumis à un processus de recyclage au cours duquel les espèces d’U235 encore utilisables sont séparées et utilisées pour de nouveaux crayons de combustible. Tous les autres éléments créés pendant la réaction en chaîne (comme le Pu, le Po…) sont également séparés et utilisés à d’autres fins, comme des applications cliniques ou d’autres processus industriels. Pour certains de ces isotopes, une réaction nucléaire en chaîne est la seule source capable de les créer. Cependant, une grande partie de ces matériaux ne sont que des matières radioactives mortes qui ne voient pas d’autre utilité que d’être stockées comme déchets nucléaires. Ces déchets émettent beaucoup de radiations et sont très dangereux et toxiques pour l’environnement. Ils doivent donc être stockés dans un endroit où ils sont inaccessibles et n’influencent pas les eaux souterraines, les ressources naturelles ou la vie. Il est bien sûr difficile de trouver un endroit approprié à cette fin, mais c’est pourtant la seule chance de se débarrasser des déchets atomiques, car il n’y a aucun moyen de neutraliser la radioactivité une fois la matière existante. En outre, les réacteurs nucléaires eux-mêmes doivent être démontés au cours d’un processus très long et complexe une fois le réacteur abandonné, ce qui entraîne des coûts élevés et crée encore plus de déchets nucléaires. Bien sûr, outre la question des déchets, il y a aussi le risque d’accident et de rejet indésirable de matières nucléaires dans l’environnement. Ce type d’accident, appelé “accident le plus grave possible”, s’est produit à plusieurs reprises dans le passé et a eu une influence dévastatrice sur la vie sur terre en 1986 à Tchernobyl et en 2011 à Fukushima.

Recherche

L’approvisionnement en énergie nucléaire et l’utilisation industrielle de la technologie nucléaire s’accompagnent d’un vaste champ de recherche en cours. Non seulement l’optimisation des combustibles nucléaires et leur recyclage sont des sujets brûlants, mais aussi le travail avec des échantillons radioactifs pour la recherche clinique et la thérapie, ainsi que l’amélioration de la sécurité des réacteurs et l’optimisation de leur performance. Les scientifiques recherchent toujours des technologies de stockage et de réutilisation des déchets nucléaires et tentent également de concevoir des barres de combustible nucléaire qui ne produisent que des quantités minimales d’isotopes toxiques. En outre, l’un des plus grands projets de recherche est le développement de la technologie du réacteur à fusion, qui devrait résoudre les problèmes énergétiques mondiaux dès qu’elle sera disponible. L’avantage d’un réacteur à fusion serait une production d’énergie quasiment exempte de radiations qui ne nécessite que de petites quantités d’hydrogène pour former de l’hélium dans une réaction de fusion.

Fig.11 : La future centrale nucléaire ne sera très probablement pas un réacteur à fission mais un réacteur à fusion. Un ensemble massif d’aimants peut maintenir le faisceau de plasma d’hydrogène chaud à des milliards de degrés à l’intérieur d’un champ qui permet de contrôler la réaction de fusion des noyaux d’hydrogène en hélium, ce qui permet de libérer d’énormes quantités d’énergie avec très peu de radiations et aucun isotope toxique.

Fig.11: The future nuclear power plant will be most likely not a fission but a fusion reactor. A massive setup of magnets can keep the plasma beam of billion degree hot hydrogen within a field that allows to control the fusion reaction of hydrogen cores into helium, resulting in huge amounts of released energy and only very little radiation and no toxic isotopes.

Analyse thermique dans la recherche nucléaire

Fig.12 : La recherche sur les matériaux radioactifs nécessite des environnements spéciaux. Dans la plupart des cas, des unités dites de cellules chaudes sont établies, où tous les équipements doivent être inclus pour séparer la zone "chaude" de l'environnement normal du laboratoire.

Fig.12 : La recherche sur les matériaux radioactifs nécessite des environnements spéciaux. Dans la plupart des cas, des unités dites de cellules chaudes sont établies, où tous les équipements doivent être inclus pour séparer la zone “chaude” de l’environnement normal du laboratoire.

En raison de la recherche qui est faite dans ce domaine, il y a un besoin d’équipement analytique et surtout aussi d’instruments d’analyse thermique. Bien entendu, ces applications spéciales et les exigences de sécurité nécessitent de nombreuses modifications des appareils standard, ce que Linseis peut faire. Les radiations nucléaires pouvant interférer avec l’électronique, celle-ci doit être séparée des parties mécaniques des instruments et placée en dehors de la cellule chaude ou de la boîte à gants. Nous avons personnalisé presque tous les instruments importants de l’analyse thermique, y compris l’adaptation aux applications en cellule chaude, comme la séparation de l’électronique et des panneaux de commande. Principalement des dilatomètres, des thermo-balances ainsi que des appareils combinés. TG-DSC et aussi Les techniques Laser Flash ont été transférées avec succès dans une conception nucléaire par nous dans un passé récent. Notre expérience dans ce domaine particulier fait de Linseis le leader mondial de l’analyse thermique des matériaux nucléaires, car nous sommes l’acteur le plus flexible sur ce marché.

Applications

Graphite standard

La courbe montre les données de diffusivité thermique d’un étalon de graphite du NIST qui a été mesuré avec un appareil spécial LFA avec un laser connecté par fibre optique et une électronique séparée. Les résultats correspondent aux valeurs de la littérature et la précision et la puissance du laser sont complètement identiques à celles de l’instrument standard.

Le graphite est l’un des matériaux les plus importants dans la construction des réacteurs et, en raison de sa haute conductivité thermique et de sa stabilité à la température, il peut être utilisé à diverses fins.

Conductivité thermique des carbures

Différents types de carbures ont été mesurés par LFA pour déterminer la conductivité thermique. Le carbure d’uranium a été comparé à un carbure de zirconium similaire et au carbure de silicium classique. Il en résulte que le carbure d’uranium présente une valeur très basse d’environ 25 W/mK, tandis que le carbure de zirconium montre une tendance à l’augmentation qui a un caractère électronique dominant, tandis que le SiC présente une forme de diminution plus ou moins commune de sa courbe de conductivité thermique.

Téléchargements


Analyse thermique Linseis pour l’énergie nucléaire (PDF)

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Appareils adaptés

STA PT 100

LFA 1000