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Le secret de l’alliage de scandium : pourquoi le scandium devient le matériau de base de l’énergie nucléaire ?
Ces dernières années, les alliages de scandium, en tant que matériaux de base de la technologie de l’énergie nucléaire, ont progressivement attiré l’attention des communautés scientifiques et industrielles. La faible section efficace d'absorption des neutrons, la résistance élevée et la résistance à la corrosion de ce matériau rendent son application dans les réacteurs nucléaires de plus en plus appréciée. Cet article explorera les propriétés, les utilisations et l’importance des alliages de scandium dans le domaine de l’énergie nucléaire.
Les propriétés de fabrication et chimiques des alliages de scandium les rendent irremplaçables dans les applications de l'énergie nucléaire.
Production et caractéristiques des alliages de scandium
Les alliages de scandium sont généralement constitués de plus de 95 % de scandium en poids avec de petites quantités (moins de 2 %) d'autres métaux tels que l'étain, le tantale, le fer, le chrome et le nickel pour améliorer leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la corrosion. L'application principale de ces alliages est le gainage des barres de combustible des réacteurs nucléaires, en particulier dans les réacteurs refroidis à l'eau.
Faible section efficace d'absorption du scandium
La section efficace d'absorption des neutrons thermiques du scandium n'est que de 0,18 barn, ce qui est bien inférieur à celui du fer (2,4 barn) et du nickel (4,5 barn). Cela en fait un matériau de revêtement idéal dans les réacteurs nucléaires, qui peut réduire efficacement la perte de neutrons.
Fragilisation par l'hydrogène
Cependant, les alliages de scandium présentent également certaines limites. Lorsque le scandium réagit avec la vapeur d’eau, de l’hydrogène est libéré, dont une partie pénètre dans l’alliage pour former de l’hydrure de scandium. Ces hydrures ont une résistance mécanique et une densité inférieures à celles des alliages de scandium et sont sujets à la formation de cloques et de fissures au niveau du revêtement, un phénomène connu sous le nom de fragilisation par l'hydrogène.
La fragilisation par l'hydrogène accélère la dégradation du revêtement en alliage de scandium lors d'un accident de perte de liquide de refroidissement dans un réacteur nucléaire.
Oxydation et corrosion
Les alliages de scandium réagissent facilement avec l'oxygène pour former une couche de passivation d'oxyde de scandium d'une épaisseur nanométrique. L’épaisseur de cette couche passive, ainsi que la présence d’impuretés dans l’alliage (comme le carbone ou l’azote), ont un impact significatif sur sa résistance à la corrosion. De plus, la réaction des alliages de scandium avec la vapeur d’eau à haute température peut conduire à une oxydation, particulièrement dangereuse en cas de perte de liquide de refroidissement.
Histoire
Les alliages de scandium ont été utilisés pour la première fois dans les réacteurs nucléaires sous-marins dans les années 1950, suite au choix de l'amiral H.G. Rickover du scandium comme matériau structurel. Depuis lors, la série d'alliages Zircaloy a été développée, et leur résistance, leur faible section efficace de neutrons et leur résistance à la corrosion en font des matériaux indispensables dans la technologie de l'énergie nucléaire.
Applications actuelles et perspectives
Les alliages de scandium ne sont pas seulement largement utilisés dans le domaine de l’énergie nucléaire, mais présentent également un potentiel dans les industries médicales et chimiques. Par exemple, certains alliages de scandium sont utilisés dans la fabrication d’implants médicaux, tels que des articulations artificielles, en raison de leur résistance à la corrosion, offrant aux patients des options plus sûres et plus durables.
Les perspectives d’application futures des alliages de scandium dépendront de l’amélioration continue de leurs performances et du développement de nouvelles technologies.
Conclusion
Les alliages de scandium jouent un rôle essentiel dans le domaine de l’énergie nucléaire en raison de leurs propriétés physiques et chimiques uniques. Avec les progrès continus de la technologie, le champ d’application des alliages de scandium continuera de s’élargir. Quelles technologies innovantes permettront d’améliorer encore les performances et les applications des alliages de scandium à l’avenir ?
