ARCHIVÉ - Rien de secret pour les neutrons

Le 08 août 2008 — Ottawa (Ontario)

« Derrière chaque progrès technologique se cache une avancée de la science des matériaux », affirme Ron Rogge, chercheur principal au Centre canadien de faisceaux de neutrons du CNRC, à Chalk River (Ontario), et directeur du programme Application à l'industrie de la diffraction des neutrons (AIDN), qui aide les scientifiques des universités, de l'industrie et du CNRC dans leurs travaux sur les matériaux.

« Les scientifiques recourent à divers artifices pour caractériser et perfectionner les matériaux, mais la diffraction des neutrons les surpasse tous, affirme Ron Rogge, à cause de la façon dont les neutrons réagissent avec la matière. »

Ron Rogge (à droite) explique à Roxana Hutanu (maintenant chez Énergie atomique du Canada ltée) comment la diffraction des neutrons nous a renseigné sur les contraintes subies par l'enveloppe de la fusée de lancement de la navette Challenger.

Les chercheurs du CNRC à Chalk River sont de vrais leaders mondiaux dans l'application de cette technologie à la recherche industrielle. Ils s'en servent pour caractériser les matériaux « fonctionnels » (nanostructures qui piègent les gaz ou facilitent les réactions chimiques en utilisant moins d'énergie, voire les structures cristallines stockant l'information ou alimentant les piles) ou « mous » (plastiques, membranes, protéines, gels, lait et sang).

L'équipe de Chalk River a récemment coopéré avec une aciérie, un chercheur universitaire et CANMET – laboratoire gouvernemental spécialisé en métallurgie en vue de perfectionner l'acier et de le rendre plus performant dans des applications clés. Le CNRC a fourni les données de diffraction des neutrons au chercheur, qui a simulé le matériau et son procédé de fabrication sur ordinateur. Ensuite, CANMET a reproduit le procédé à petite échelle. En combinant l'information issue de la diffraction des neutrons et des simulations, l'entreprise a rehaussé la performance du produit.

Pourquoi la diffraction des neutrons est-elle si utile à la recherche sur les matériaux? « La matière est faite d'atomes disposés différemment, selon qu'il s'agit d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz, explique Ron Rogge. Étant des particules subatomiques, les neutrons interagissent avec le noyau des atomes et leur champ magnétique. On bombarde un matériau et les neutrons se dispersent dans des schémas précis, qu'on analyse. Ainsi, il est possible de voir comment les atomes du matériau sont structurés. »

Parmi les techniques recourant aux neutrons, mentionnons la diffraction, la spectroscopie, la réflectométrie et la diffraction à angle réduit. Grâce à leur grande pénétration et à leur longueur d'onde particulière, les neutrons diffractés nous en disent plus sur la matière que la microscopie électronique, les ultrasons ou les rayons X.

Les faisceaux de neutrons traversent la plupart des matériaux. Ils nous renseignent sur les composants entiers – soudures, canalisations, pièces de moteur – sans altérer l'échantillon. On utilise les neutrons pour visualiser en relief les contraintes dans les pièces métalliques ou les matériaux polycristallins, mesurer la texture des cristaux ou déterminer la proportion volumique des éléments d'un matériau complexe. Enfin, on s'en sert pour voir comment les matériaux réagissent à certains processus avec le temps.

« Les neutrons autorisent une thermométrie non invasive et l'analyse de l'oxydation en temps réel, poursuit Ron Rogge. On peut aussi étudier les réactions électrochimiques et vérifier l'homogénéité de la microstructure. En caractérisant la structure moléculaire et atomique d'un matériau, nous aidons les chercheurs industriels à choisir de meilleurs procédés de fabrication et à rehausser le rendement des matériaux. »

Les clients de Ron Rogge viennent surtout des secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de l'énergie et de l'environnement. Ils lui fournissent un matériau ou une pièce et les scientifiques du CNRC utilisent le réacteur de Chalk River pour les bombarder de neutrons, analyser les résultats et rédiger un rapport. « Les neutrons brossent un tableau de la structure atomique fine du matériau avant qu'on en tire une pièce, dit-il. On le teste de nouveau après que la pièce a subi des contraintes ou a été façonnée pour voir comment les propriétés du matériau ont été affectées. » Ces renseignements prédiront mieux la fatigue du matériau, à la longue.

Un des grands avantages du programme AIDN est que les tests ont lieu dans des conditions réalistes, soit une température élevée (jusqu'à 2 000 °C), un champ électrique ou magnétique puissant, une forte traction ou compression, et le fonctionnement en milieu hostile. Le CNRC peut combiner une multitude de conditions. « Parfois, on applique une charge à l'échantillon en le chauffant pour voir comment il se comportera. Les fabricants doivent connaître la tolérance des nouveaux matériaux avant d'en fabriquer des articles, surtout quand la sécurité publique est en jeu. Les connaissances acquises grâce à la diffraction des neutrons déboucheront aussi sur la création de nouveaux matériaux ou procédés de fabrication qui accroîtront notre compétitivité », conclut Ron Rogge.

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