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Une découverte majeure sur la durabilité du béton dans les installations nucléaires

Une découverte majeure sur la durabilité du béton dans les installations nucléaires

par La rédaction
3 février 2025
en Energie, Nucléaire

Comment la radiation neutronique affecte-t-elle la durabilité du béton utilisé dans les centrales nucléaires ? Une question qui intrigue les scientifiques depuis des décennies. Des chercheurs de l’Université de Tokyo et d’ailleurs ont récemment apporté des réponses éclairantes sur les effets spécifiques de la radiation neutronique sur les propriétés structurelles du béton, ouvrant ainsi une nouvelle ère dans la compréhension de ce matériau essentiel.

Depuis longtemps, il est établi que la radiation affecte l’intégrité structurelle du béton. Toutefois, jusqu’à récemment, les détails précis de ces effets restaient inconnus. Des chercheurs, y compris ceux de l’Université de Tokyo, ont démontré que certaines propriétés du béton influencent ses caractéristiques structurelles sous divers niveaux de radiation neutronique. Par exemple, les cristaux de quartz présents dans le béton montrent une capacité à s’auto-réparer, ce qui pourrait permettre à certains réacteurs de fonctionner plus longtemps qu’on ne le pensait initialement possible.

Les incidents spectaculaires impliquant des centrales nucléaires suscitent naturellement des craintes. Cependant, de nombreuses personnes voient dans l’énergie nucléaire un pilier pour atteindre un monde carboné neutre. Cette vision met en lumière la nécessité d’améliorer la sécurité, la fiabilité, l’efficacité coût-bénéfice et d’autres aspects pour apaiser les peurs et accroître l’acceptation de cette technologie. Parmi les matériaux utilisés pour la construction de ces centrales, le béton joue un rôle clé en termes de sécurité et de longévité. Il est reconnu comme un matériau robuste, mais c’est seulement maintenant que les scientifiques peuvent explorer en profondeur comment la radiation neutronique des réacteurs affecte sa durabilité.

Les découvertes de l’équipe de recherche

Le professeur Ippei Maruyama du Département d’Architecture a expliqué : « Le béton est un matériau composite constitué de plusieurs composés. Ces composés peuvent varier selon divers facteurs, notamment la géographie locale, surtout l’agrégat rocheux qui constitue un composant majeur du béton. Or, la roche contient souvent du quartz. Comprendre comment le quartz se modifie sous différentes charges de radiation aide à prédire le comportement général du béton. »

Il a poursuivi en soulignant que la dégradation induite par la radiation neutronique représente un domaine d’étude particulièrement coûteux, rendant la recherche extensive difficile. Son équipe a abordé ce problème depuis 2008, en formulant des stratégies pour le résoudre à travers une consultation large de la littérature et des entretiens avec des experts, aboutissant à des expériences récentes utilisant la diffraction des rayons X pour observer des cristaux de quartz irradiés.

Maruyama et son équipe ont examiné deux aspects de la radiation neutronique : la dose totale reçue par les échantillons et le taux auquel ils la reçoivent, ou flux. Ils ont observé que pour une dose totale donnée, l’expansion d’un cristal de quartz était beaucoup plus importante lorsque le taux de dose était élevé. Cette découverte souligne non seulement la distorsion de la structure cristalline par la radiation, mais aussi un phénomène de récupération où les cristaux déformés pourraient se réparer, réduisant ainsi l’expansion.

Quelles implications pour l’avenir ?

« La découverte de l’effet du flux indique que non seulement la radiation neutronique déforme la structure cristalline, provoquant une amorphisation et une expansion, mais il existe aussi un phénomène où les cristaux déformés se rétablissent et l’expansion diminue », a ajouté Ippei Maruyama. « Nous avons également constaté que cet effet dépend de la taille des cristaux minéraux dans le béton. Les grains de cristaux plus grands montrent moins d’expansion, suggérant un effet dépendant de la taille. Compte tenu de ces résultats, la dégradation du béton due aux neutrons, qui est actuellement une préoccupation, pourrait impliquer moins d’expansion que prévu. Par conséquent, la dégradation pourrait être moins sévère que anticipée, permettant potentiellement aux centrales nucléaires de fonctionner plus en sécurité sur des périodes plus longues. »

L’équipe prévoit maintenant de relever plusieurs défis pour comprendre le comportement d’expansion des différents minéraux formateurs de roches, clarifier davantage les mécanismes d’expansion, et développer la capacité de prédire l’expansion des agrégats en fonction de leurs propriétés matérielles et des conditions environnementales. .

Légende illustration : Il s’agit en fait d’un plan du réacteur de recherche LVR-15 en République tchèque, où les expériences ont eu lieu. Les carrés rouges représentent les endroits où l’équipe a placé ses échantillons expérimentaux et d’autres appareils. Image au microscope électronique à balayage d’un agrégat Metachert, un analogue du béton, avant l’exposition au rayonnement neutronique (à gauche) et après (à droite). ©2025 Maruyama et al. CC-BY-ND

Article : ‘Neutron flux impact on rate of expansion of quartz’ / ( 10.1016/j.jnucmat.2025.155631 ) – University of Tokyo – Publication dans la revue Journal of Nuclear Materials

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Tags: betonirradiationquartz
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It’s been known for some time that radiation impacts the structural integrity of concrete. However, until now the details of this were unknown. Researchers, including those from the University of Tokyo, can finally demonstrate what properties of concrete affect its structural characteristics under different neutron radiation loads. Their findings raise some concerns whilst reducing others; for example, quartz crystals in concrete can heal themselves, potentially allowing some reactors to run for longer than initially thought possible.

Some high-profile incidents involving nuclear power stations naturally raise fear in people. But many believe nuclear power to be one of the cornerstones for achieving a carbon-neutral world. This places an emphasis on finding ways to improve safety, reliability, cost-effectiveness and other things, to reduce fears and increase receptiveness to this technology. One aspect of nuclear power stations that relates to safety and also longevity lies in the materials used in their construction; in particular, the concrete used throughout the buildings. It’s known to be a very robust material and has been studied for a long time to better understand its material characteristics. But only now have researchers been able to explore in detail the way that neutron radiation from nuclear reactors can impact concrete’s longevity.

“Concrete is a composite material made up of multiple compounds. These can vary depending on various factors, including local geography, especially the rock aggregate which is a major component in concrete. But rock will often contain quartz. So, understanding how quartz changes under different radiation loads can help us predict how concrete should also behave in general,” said Professor Ippei Maruyama from the Department of Architecture. “Neutron radiation-induced degradation is a particularly costly area of study, making extensive research difficult. Our research team has been addressing this issue since 2008, formulating strategies to solve the problem by consulting a wide range of literature and conducting interviews with experts. This culminated on our recent experiments using X-ray diffraction to look at irradiated quartz crystals.”

Among other things, Maruyama and his team looked at two properties of neutron radiation: the total dose the samples receive and the rates at which they receive it, or flux. What they found was a little surprising at first, for a given total dosage of neutron radiation, the amount of expansion in a quartz crystal was far higher when the dose rate was higher, and vice versa. As an analogy, you could think about the impact of the sun on your skin — it’s commonly advised not to spend too much time exposed to direct sunlight without protection, while it’s less of a concern to receive the same exposure spread out over a longer stretch of time.

“The discovery of the flux effect indicates not only that neutron radiation distorts the crystal structure, causing amorphization and expansion, but that there is also a phenomenon where the distorted crystals recover and the expansion diminishes, hence a lower rate affords more time to heal,” said Maruyama. “We also saw this phenomenon depends on the size of the mineral crystals within concrete. Larger crystal grains exhibited less expansion, suggesting a size-dependent effect. Considering these findings, the degradation of concrete due to neutrons, which is currently a concern, may involve less expansion than previously thought. Consequently, degradation may be less severe than anticipated, potentially allowing nuclear power plants to operate more safely over longer periods.”

The team now aims to address several challenges in understanding the expansion behavior of different rock-forming minerals, further clarifying the mechanisms of expansion and developing the ability to predict the expansion of aggregates based on their material properties and environmental conditions. The team also seeks to predict the way cracks form based on mineral expansion. This research could contribute to the selection of materials and design of concrete for future nuclear power plants. Additionally, it may provide valuable insights into the durability and stability of inorganic materials used in space-based structures for extraterrestrial construction in orbit of Earth, and beyond.

###

Journal article: Ippei Maruyama, Kenta Murakami, Takahiro Ohkubo, Shohei Sawada, Osamu Kontani, Takafumi Igari, Masaki Kawai, Junji Etoh, “Neutron flux impact on rate of expansion of quartz”, Journal of Nuclear Materials, https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2025.155631

Funding and acknowledgments:

This work was partially supported by the Japanese Concrete Aging Management Program on Irradiation Effects (JCAMP), funded by the Ministry of Economy, Trade, and Industry, Japan.

Useful links:
Building Material Engineering - https://bme.t.u-tokyo.ac.jp/en/
Department of Architecture - https://arch.t.u-tokyo.ac.jp/en/
Graduate School of Engineering https://www.t.u-tokyo.ac.jp/en/soe  

About The University of Tokyo:
The University of Tokyo is Japan's leading university and one of the world's top research universities. The vast research output of some 6,000 researchers is published in the world's top journals across the arts and sciences. Our vibrant student body of around 15,000 undergraduate and 15,000 graduate students includes over 4,000 international students. Find out more at www.u-tokyo.ac.jp/en/ or follow us on X (formerly Twitter) at @UTokyo_News_en.

Journal

Journal of Nuclear Materials

DOI

10.1016/j.jnucmat.2025.155631

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Neutron flux impact on rate of expansion of quartz

Article Publication Date

13-Jan-2025

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