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Élucider le mécanisme des couches protectrices des réacteurs à fusion qui résistent au pelage

Institut de technologie de Tokyo

image : (a) Image au microscope électronique à transmission à balayage ; (b) Image de cartographie élémentaire aux rayons X à dispersion d'énergie (EDX) de l'aluminium et de l'oxygène ; (c) Image de cartographie élémentaire du titane, de l'yttrium et du zirconium par analyse EDXVoir plus

Crédit : Professeur agrégé Masatoshi Kondo

Les réacteurs à fusion, les surgénérateurs rapides et les centrales solaires thermiques sont développés en tant que centrales électriques à faible impact environnemental et sans contraintes de ressources. Étant donné que ces centrales électriques fonctionnent à haute température avec un transfert de chaleur important, les scientifiques étudient l'utilisation de composants utilisant du métal liquide (ayant d'excellentes performances de transfert de chaleur) comme liquide de refroidissement. La couverture de métal liquide (une paroi métallique installée dans le cœur) et le diverteur de métal liquide (qui reçoit la chaleur et évacue les gaz d'échappement) sont parmi les composants les plus importants des réacteurs à fusion et ont attiré l'attention en tant que dispositifs innovants de conversion d'énergie. Cependant, la sélection de matériaux structurels chimiquement compatibles avec les métaux liquides à haute température constitue un défi.

Le professeur agrégé Masatoshi Kondo de l'Institut de technologie de Tokyo a utilisé des liquides de refroidissement métalliques et mené des recherches sur leur résistance à la corrosion chimique avec des matériaux structurels de pointe. Il a découvert que la cause de la corrosion est la lixiviation des composants métalliques des matériaux en contact avec le métal liquide et l'alliage du métal liquide et de l'acier. Dans ce contexte, il a découvert que la corrosion pouvait être considérablement réduite en formant une couche d’oxyde protectrice compacte à la surface des matériaux structurels des composants en métal liquide. La formation d’une couche d’oxyde protectrice stable qui inhibe une telle corrosion est essentielle pour faire des composants à base de métal liquide une réalité.

L'équipe de recherche commune, dirigée par le professeur agrégé Kondo, en collaboration avec l'Université nationale de Yokohama et l'Institut national des sciences de la fusion, s'est concentrée sur le fait que les alliages FeCrAl renforcés par dispersion d'oxyde (ODS) forment une couche d'α-Al2O3 (alumine alpha) constituée d'un structure compacte et identifié les facteurs qui peuvent favoriser la croissance de la couche et le mécanisme qui fait que la couche résiste au décollement du substrat.

La couche α-Al2O3 offre une protection exceptionnelle dans les environnements de métaux liquides à haute température. L'alliage ODS Fe15Cr7Al ​​présente une excellente résistance aux températures élevées et constitue un matériau structurel à fort potentiel pour les centrales électriques de nouvelle génération. L'alliage peut être oxydé à 1 000°C dans l'air pendant 10 heures pour former une couche d'α-Al2O3. La figure 1 montre une image au microscope en coupe transversale de la couche d'α-Al2O3 formée sur l'alliage ODS Fe15Cr7Al ​​et la répartition de ses éléments constitutifs. Bien qu'il n'ait qu'une épaisseur de 1,28 micromètre, soit environ 1/80ème de l'épaisseur d'un cheveu humain, il présente une structure extrêmement compacte avec une répartition uniforme de l'aluminium et de l'oxygène, comme le montre la figure 1(b). Dans le même temps, l’équipe a découvert que des oxydes d’éléments réactifs tels que Ti, Y et Zr se formaient dans la couche d’α-Al2O3, comme le montre la figure 1(c). En effet, les éléments réactifs que l'alliage ODS Fe15Cr7Al ​​retient dispersés sous forme de minuscules particules d'oxyde dans sa microstructure ont migré dans la couche pour former des oxydes. La comparaison de la microstructure et du taux de croissance de la couche d'oxyde formée par plusieurs types d'alliages FeCrAl montre que les alliages sans éléments réactifs ne forment pas ces oxydes dans la couche et que leur croissance en couche est lente. Ces oxydes allongés d'éléments réactifs agissent comme une « voie de diffusion de l'oxygène uniquement » qui favorisent la croissance des couches et améliorent les propriétés de barrière (Figure 2).

La couche protectrice doit être résistante à l'exfoliation. Dans cette étude, l’équipe a effectué un test de rayure sur la couche α-Al2O3 formée sur l’alliage ODS-FeCrAl pour mesurer l’ampleur de la force requise pour rayer et peler la couche avec une aiguille pointue. Les résultats montrent que l'alliage ODS-FeCrAl possède d'excellentes propriétés d'adhésion. Le mécanisme par lequel la couche d'α-Al2O3 devient résistante à l'exfoliation est résumé dans la figure 2. Premièrement, les oxydes d'éléments réactifs formés du substrat vers la couche saisissent fermement la microstructure de la couche, comme des piquets utilisés pour fixer une tente, et contribuent à l’amélioration de la force d’adhésion. C’est ce qu’on appelle l’effet d’ancrage.