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Univ. Paris-Saclay
Durabilité et vieillissement des matériaux
   Durabilité et vieillissement des matériaux

Cartographie isotopique élémentaire d'une couche de corrosion.

Comprendre les mécanismes de vieillissement des matériaux dans leur environnement de fonctionnement, de façon à pouvoir prédire la durée de vie des composants voire à l’optimiser est un enjeu important des énergies bas carbone, qu’il s’agisse d’énergie nucléaire (fusion, fission) ou des nouvelles technologies de l’énergie.

L’institut IRAMIS possède une solide expérience dans le domaine du vieillissement des matériaux du nucléaire, reposant sur des installations d’irradiation (ions, électrons, gamma) et des outils de caractérisation et de simulation adaptés pour suivre les modifications de structure et les défauts créés. Les matériaux étudiés sont les verres de stockage, les matériaux cimentaires et polymères utilisés dans les colis de déchets, les céramiques, et les aciers (corrosion). En s’appuyant sur son expérience et son savoir-faire acquis dans le domaine du nucléaire, l’IRAMIS développe des études sur les mécanismes de vieillissement des matériaux des nouvelles technologies de l’énergie, qui est un point clé de leur développement : vieillissement accéléré des électrolytes et des électrodes de batteries, durée de vie de cellules photovoltaïques utilisées dans les missions spatiales.

 
#2376 - Màj : 10/10/2018
 

Les différentes filières énergétiques, telles que l'énergie nucléaire ou encore les nouvelles technologies autour de l'hydrogène, vecteur énergétique, ou le photovoltaïque, demandent des matériaux adaptés, dont il faut tester la durabilité et la fiabilité. L'étude de ces nouveaux matériaux demande de connaitre la composition chimique et la distribution des éléments associés au sein des échantillons.

Très peu de techniques permettent cependant la mesure des concentrations absolue en éléments légers dans les matériaux. La microsonde nucléaire est un instrument qui permet ce type de caractérisation, support indispensable d'une recherche sur les matériaux, utilisée et proposée à la communauté par le NIMBE/LEEL.


The different energy systems, such as nuclear energy or new technologies around hydrogen energy carrier, or photovoltaics, require suitable materials, which durability and reliability must be tested. The study of these new materials requires a precise analysis of their chemical composition and distribution of elements.

However, very few techniques allow measurement of absolute concentrations of light elements in materials. The nuclear microprobe is one of them, a central analytical technique used and proposed to the community by the NIMBE/LEEL team.

Plusieurs pays envisagent de développer une technologie de barrières multiples pour la sécurité du stockage des déchets nucléaires. Une question centrale est de savoir modéliser le comportement sur le long terme (soit 100 à 1000 ans) des matériaux utilisés, en particulier des containers, en acier faiblement allié, et de la matrice vitrifiée.

Dans ce cadre général, le NIMBE/LAPA cherche à mettre en évidence les mécanismes de corrosion à long terme de systèmes contenant des alliages ferreux et du verre dans les divers milieux envisagés pour le stockage profond ou les stockages provisoires (atmosphère, béton et liants hydrauliques).

La méthode est basée sur l'étude d'analogues archéologiques provenant de sites de référence sur lesquels il est possible de mesurer les paramètres environnementaux et de disposer d'un nombre d'objets suffisants pour une étude en laboratoire. Ceux-ci sont ensuite étudiés à différentes échelles de l'échelle macroscopique à celle du nanomètre. L'étude d'échantillons altérés dans des conditions contrôlées en laboratoire complète l'approche.

 


 

Several countries envisage to develop a multibarrier concept for the safe storage of nuclear wastes. The main issue is to manage to predict on the long term (i.e. 100 to 1000 years) the behaviour of the materials and especially of the low alloy steel overcontainer and its vitrified matrix, by modelling.

In that general framework, LAPA is interested to evidence long-term corrosion mechanisms of systems containing ferrous alloys and glass in various media concerned by deep storage (anoxic carbonated water) or interim storage (atmosphere, concrete and hydraulic binders).

The methodology is based on the study of archaeological analogues coming from reference sites on which it is possible to measure the environmental parameters and to sample a significant number of artefact that can be later studied in laboratory. The system is then investigated at different scales from macro to nanometer. Studying short-term altered samples in controlled conditions in the laboratory completes the approach.

 

Les recherches sur ce thème portent sur des études fondamentales du comportement sous irradiation d’une grande variété de matériaux utilisés notamment dans le contexte de l’électronucléaire (alliages métalliques, verres, céramiques, polymères). Les expériences mettent en jeu des outils d’irradiation externes (accélérateurs d’ions ou d’électrons), et bénéficient en parallèle d'importants efforts de simulation.

Les études portent en particulier sur l’évolution microstructurale des matériaux (et le vieillissement associé) ainsi que l'évolution de leurs propriétés qui en résulte (fragilité, résistance à la corrosion, réactivité chimique…), en liaison avec leurs utilisations potentielles.

 


Sous irradiation les matériaux, les molécules subissent des processus de vieillissement qu'il faut savoir maitriser :

Interaction particule - matière : La collision d'un ion avec un atome, une molécule, un agrégat ou une surface est l’évènement initial des processus conduisant aux différentes modifications induites par les irradiations. A l'IRAMIS, les effets des multi-ionisations sur la stabilité de la matière sont plus particulièrement étudiés.

Matériaux sous irradiation : Comprendre le vieillissement des matériaux placés dans un environnement radiatif ou modifier de manière contrôlée les propriétés des matériaux, sont deux axes de recherche au cœur des priorités du CEA.

Radiolyse : L'identification des processus physico-chimiques induits par l’irradiation, tels qu’ils sont étudiés à l'IRAMIS, permet de comprendre de nombreux phénomènes comme la corrosion sous irradiation, la radio-oxydation et la phase initiale des processus radiobiologiques.

Au delà des études visant à mieux comprendre et prédire l'altération des métaux anciens, l'équipe du LAPA utilise la science des matériaux et les méthodes de la chimie pour comprendre certains aspects des sociétés antiques en lien avec leur niveau technologique.

Ceci, selon trois axes principaux :

  1.  Comprendre la manufacture des objets métalliques et son organisation dans les sociétés anciennes
  2.   Déterminer la provenance des objets métalliques anciens
  3.   Dater les objets archéologiques

In addition to studies aiming to better understand and predict the alteration of ancient metals, the LAPA team uses materials science and chemistry methods to understand aspects of ancient societies linked with their technological levels.

Three main axes are followed:

  1. Understanding of the organization of the manufacture and metallic artifacts in ancient societies
  2. Determining the provenance of ancient metallic artifact
  3. Dating archaeological artifacts

 

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