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Matériaux dans le nucléaire : Be

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Bienvenue à tous sur ce billet, qui continuera la longue tradition entamée il y a trois billets. Ici, nous allons décrire quelques cas d’utilisation du béryllium dans l’industrie du nucléaire. Les billets précédents sont accessibles en cliquant sur l’éléments correspondant dans le tableau ci-dessous (que j’ai mis une éternité à créer parce que je ne suis pas très doué).

Comme d’habitude, pas de vocation à être complet, ni à entrer dans des détails incroyables, mais juste à montrer que tous les éléments ou presque sont utiles dans une grande industrie.

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

LAN

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

ACT

Lanthanide

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Actinide

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lw

Multiplier les neutrons

Vous le savez peut-être, dans les réacteurs actuels, les neutrons sont ralentis, jusqu’à avoir une énergie d’à peu près 0.025 eV, pour augmenter les probabilités de fissions. Ce n’est pas le cas dans les réacteurs à neutrons rapides, ou dans les concepts de fusion. Dans ces derniers, comme on en a parlé brievement dans le billet sur le lithium, un des défis est d’avoir assez de neutrons pour avoir assez de tritium. Et l’une des solutions proposées est d’avoir une couverture de béryllium qui va prendre un neutron, et en relâcher plusieurs. Comment me direz-vous ? Et bien grâce à la réaction (n,2n) qui se produit à hautes énergies. Comme vous le voyez ci-dessous, si le neutron incident à une énergie supérieure à 2 MeV, il y a une probabilité non-nulle de créer deux neutrons. Il "suffit" ensuite d’avoir une épaisseur de Be suffisante pour faire en sorte que cette réaction se produise, peut-être même plusieurs fois.

Section efficace de la réaction (n,2n) pour le Be-9.
Section efficace de la réaction (n,2n) pour le Be-9.

Réfléchir les neutrons

Revenons à notre cas de réacteurs conventionnels, là où les neutrons sont ralentis. Et bien il y en a toujours pas mal qui, après avoir été ralentis, ont l’outrecuidance de partir et de ne servir à rien. Là aussi, le Be peut aider, et est régulièrement utilisé dans les réacteurs expérimentaux. Pour ces neutrons thermalisés, la probabilité de changer la trajectoire d’un neutron est environ mille fois plus grande que celle de l’absorber. Il suffit donc dès lors d’avoir une couche de Be autour du coeur du réacteur pour minimiser les pertes de neutrons thermalisés.

BeO pour améliorer les propriétés thermiques du combustible

Les images suivantes proviennent de l’article Thermal Conductivity of UO2-BeO Pellet, publié en 2012. Depuis il y a eu beaucoup d’autres travaux, mais on se concentrera sur celui-ci, ce qui sera bien suffisant pour ce billet.

Micro-structure en fonction de la température
Micro-structure en fonction de la température

Sur ces images, vous pouvez voir qu’en mélangeant de la poudre de BeO à de la poudre de UO2 avant de chauffer pour augmenter la densité (sintering), on peut avoir deux micro-structures différentes. Tout simplement, BeO n’est pas soluble dans UO2, donc si la température est assez élevée, BeO va diffuser vers les frontières de grain, alors que si la température est plus faible, BeO va seulement créer des agrégats à l’intérieur des grains.

Pourquoi est-ce important ? Et bien sur les courbes qui suivent, vous voyez que le premier cas semble meilleur, puisque la conductivité thermale est davantage améliorée (ce qui permet de réduire la température du combustible, et d’avoir des marges additionnelles). Par contre, on voit aussi qu’à partir de 1000K, l’effet (quelle que soit la micro-structure) est presque nulle. Pas de bol, c’est vers là qu’on sera, sans vrai possibilité de baisser cette température, à part en repensant tout. Encore beaucoup de boulot, mais quelques pistes semblent prometteuses (principalement en changeant le BeO par du Mo) !

Conductivité thermale en fonction de la micro-structure.
Conductivité thermale en fonction de la micro-structure.

Dans la conclusion, je vous rappelle comme d’habitude que cette liste n’a pas pour vocation à être complète. Je ne parle par exemple volontairement pas de l’utilisation du Be en tant que modérateur, puisque ce serait très similaire à la seconde section de ce bilet.

L’autre détail qui vaut bien 30 secondes, c’est que le Be, c’est très toxique. Dans beaucoup d’industries, ce serait un problème. Dans le nucléaire, on a déjà les actinides, la possibilité de créer de l’acide hydroflorique, etc. C’est juste des précautions supplémentaires à prendre.

Merci d’avoir lu !

4 commentaires

J’ai enfin pris le temps de lire ce billet, et je voulais simplement te remercier pour cette série très intéressante. :)

Hier, dans le parc, j’ai vu une petite vieille entourée de dinosaures aviens. Je donne pas cher de sa peau.

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