Les températures élevées et les rayonnements ionisants créent des environnements extrêmement corrosifs à l’intérieur d’un réacteur nucléaire. Pour concevoir des réacteurs durables, les scientifiques doivent comprendre comment les réactions chimiques induites par les radiations affectent les matériaux structurels. Des chimistes du Brookhaven National Laboratory et de l’Idaho National Laboratory du ministère américain de l’énergie (DOE) ont récemment réalisé des expériences montrant que les réactions induites par les rayonnements peuvent contribuer à atténuer la corrosion des métaux du réacteur dans un nouveau type de réacteur refroidi par des sels fondus.
« Les réacteurs à sels fondus sont une technologie émergente pour une production d’énergie nucléaire plus sûre et évolutive. Ces réacteurs avancés peuvent fonctionner à des températures plus élevées et plus efficaces que les technologies traditionnelles de réacteurs refroidis à l’eau, tout en maintenant une pression relativement ambiante », explique James Wishart, chimiste au Brookhaven Lab et responsable de la recherche.
Contrairement aux réacteurs refroidis à l’eau, les réacteurs à sels fondus utilisent un liquide de refroidissement composé entièrement d’ions chargés positivement et négativement, qui ne restent à l’état liquide qu’à des températures élevées. Cela revient à faire fondre des cristaux de sel de table jusqu’à ce qu’ils coulent sans ajouter d’autre liquide.
« Pour garantir la fiabilité à long terme de ces nouveaux réacteurs, nous devons comprendre comment les sels fondus interagissent avec d’autres éléments dans un environnement de rayonnement », a indiqué M. Wishart.
Les scientifiques se sont particulièrement intéressés au suivi du chrome, un constituant fréquent des alliages métalliques proposés pour les réacteurs nucléaires à sels fondus.
« Le chrome a tendance à être l’élément le plus facile à corroder dans la plupart des alliages et finira par s’accumuler dans le liquide de refroidissement des réacteurs à sels fondus », a ajouté le chimiste.
Lorsque le chrome se dissout dans le sel fondu, certaines de ses formes chimiques peuvent accélérer les processus de corrosion, compromettant ainsi l’intégrité structurelle et les performances du réacteur. La distribution des états d’oxydation des ions de chrome – le nombre d’électrons vacants dont disposent ces ions pour les réactions chimiques – peut être le facteur qui détermine l’apparition de la corrosion.
« La présence de chrome trivalent dissous [Cr3+, avec trois vides électroniques] peut accélérer la corrosion dans certains cas, alors que le chrome bivalent [Cr2+, avec seulement deux vides électroniques] ne l’accélère pas », a t-il précisé.
Le chrome étant stable sous forme de Cr3+ et de Cr2+ dans la plupart des sels fondus, « il est essentiel de comprendre comment le Cr3+ et le Cr2+ réagissent chimiquement avec les espèces produites dans le champ de rayonnement d’un réacteur, et quels sont les produits qui en résultent », a expliqué M. Wishart.
Le laboratoire de Brookhaven est l’endroit idéal pour étudier ces processus, car il abrite des installations capables de déclencher des réactions induites par les rayonnements et de les suivre en temps réel, du trillionième de seconde à la minute. Ces installations sont le Laser Electron Accelerator Facility et l’accélérateur Van de Graaff de deux millions d’électrons-volts, tous deux situés dans la division chimie du laboratoire.
M. Wishart et ses collaborateurs ont utilisé ces installations pour mesurer les taux et les dépendances de température des réactions des deux types d’ions chrome avec les espèces réactives générées par le rayonnement dans le sel fondu. « Notre analyse a indiqué que l’effet net du rayonnement dans l’environnement du sel fondu est de favoriser la conversion du Cr3+ corrosif en Cr2+ moins corrosif », a conclu James Wishart.
Légende illustration : James Wishart, chimiste émérite du Brookhaven National Laboratory, au Laser Electron Accelerator Facility (LEAF), l’une des deux installations utilisées par son équipe pour suivre la chimie du chrome dans les sels fondus. (Roger Stoutenburgh/Brookhaven National Laboratory)
Article : « Kinetics of radiation-induced Cr(ii) and Cr(iii) redox chemistry in molten LiCl–KCl eutectic » -DOI : 10.1039/D4CP04190A
Cette recherche est un produit du Molten Salts in Extreme Environments Energy Frontier Research Center établi au Brookhaven National Laboratory par le DOE Office of Science en 2018 pour explorer les propriétés fondamentales et les applications potentielles des sels fondus dans les environnements nucléaires.
