ARCHIVÉ - Secrets révélés par les neutrons

Le 07 décembre 2009 — Ottawa (Ontario)

Les scientifiques du Centre canadien de faisceaux de neutrons du CNRC (CCFN-CNRC), à Chalk River, analysent le métal, qu'il s'agisse de fragments des navettes spatiales Challenger et Columbia récupérés après leur explosion ou de rails des tragédies ferroviaires à l'origine des désastres écologiques en Alberta. Dans un cas comme dans l'autre, l'objectif est de découvrir ce qui a mal tourné. 

Par ailleurs, savoir ce qui se passe dans le métal avant qu'un accident se produise peut avoir une grande utilité pour les concepteurs et les ingénieurs. C'est pourquoi Ron Rogge et ses collègues aident Recherche et développement pour la défense Canada (RDDC) Atlantique – un des sept établissements de RDDC qu'exploite le ministère de la Défense nationale – à rendre les sous-marins canadiens plus sûrs. 

Selon M. Rogge, on recourt couramment aux rayons X pour mesurer de manière non destructive les contraintes que le métal subit en surface. Malheureusement, les systèmes à rayons X portatifs ne pénètrent pas à plus d'un millimètre de profondeur dans l'acier. 

La diffraction des neutrons, en revanche, permet de mesurer le stress résiduel des métaux en pénétrant beaucoup plus profondément dans ceux-ci pour en faire ressortir les contraintes internes à l'échelle de l'atome. Les contraintes superficielles et internes pouvant différer considérablement, on brosse ainsi un tableau plus complet des contraintes résultant de l'assemblage du sous-marin. 

« Le problème, c'est que la diffraction des neutrons exige une puissante source de neutrons, comme celle de Chalk River », explique M. Rogge. Il ne s'agit pas d'une technologie portative et l'équipement ne peut être acheminé jusqu'aux sous-marins, situés à des milliers de kilomètres de distance, dans les chantiers navals de la côte. Néanmoins, les essais sur des pièces métalliques de moindres dimensions, mesurant chacune entre 2 et 70 centimètres carrés, s'avèrent parfois très révélateurs. 

Quand les constructeurs de navires soudent ensemble des plaques de métal courbées, des tensions résiduelles subsistent à l'intérieur, car le métal liquéfié des soudures ne se refroidit pas à la même vitesse que les pièces qu'il rassemble. Ces tensions internes exercent une contrainte supplémentaire sur la coque, réduisant de ce fait les contraintes externes que celle-ci est en mesure de supporter avant de céder. 

« Dès qu'il y a une soudure, il y a des contraintes, à moins qu'on ait appliqué un traitement subséquent pour les atténuer, reprend M. Rogge. Il n'existe qu'une technique non destructive pour discerner les contraintes profondément ancrées dans les matériaux : les neutrons. » 

Les capitaines qui pilotent et font plonger leur sous-marin à la limite de ses capacités doivent bien connaître les forces fondamentales et les faiblesses potentielles du bâtiment, même s'il est de construction récente. Pour se faire une juste idée de la situation, RDDC Atlantique fait souvent appel à l'équipe de M. Rogge pour qu'elle l'aide à évaluer l'état des sous-marins canadiens lorsqu'ils sont construits et lorsque des réparations y sont apportées. 

Au fil du temps, la corrosion amincit et affaiblit les plaques d'acier à haute résistance qui forment la coque du sous-marin. Pour permettre à ces bâtiments de naviguer à la profondeur d'origine estimée, les chantiers navals recourent à une technique de soudage qui leur permet d'ajouter des plaques de métal neuves à la coque du sous-marin et, ainsi, de l'épaissir. Puisque chaque soudage accroît les contraintes qui s'exercent sur la coque, l'équipe de recherche s'efforce d'établir quelles techniques donnent les meilleurs résultats. Le projet se poursuit et aucun résultat n'a été rendu public à ce jour. 

C'est en fait la réfection d'un sous-marin particulier qui à conduit M. Rogge à effectuer un travail naval inhabituel. 

En 2000, le Canada a reçu le premier de quatre sous-marins de classe Upholder de la Marine britannique, renommée classe Victoria. Lors du carénage de demi-vie récent de l'ancien HMS Unseen, rebaptisé NCSM Victoria, les techniciens navals ont prélevé de petites sections des plaques afin d'y souder de nouvelles pièces, dans le cadre d'une mise à niveau du pont-plateforme. Le remplacement étant survenu à un endroit inusité de la structure du navire, là où passe une des principales soudures périphériques, essentielles à l'intégrité du navire, les scientifiques de RDDC Atlantique ont envoyé le fragment au CCFN-CNRC pour analyse. Il s'agissait d'une rare occasion de tester une partie du bâtiment original, comme jamais on n'aurait pu faire avec la coque entière, même en cale sèche. 

« L'ancien fragment présentait des détails métallurgiques intéressants, a déclaré Rod McGregor, l'ingénieur de RDDC à Victoria. L'un d'eux était cette soudure circonférentielle, pour laquelle le CCFN-CNRC était idéalement placé afin de donner une caractérisation de l'épaisseur totale. » 

« On tente constamment de réévaluer les capacités de fonctionnement ultimes des sous-marins au moyen des méthodes de calcul les plus perfectionnées, ce qui exige une connaissance explicite des propriétés physiques de la coque épaisse, poursuit M. McGregor. C'était l'occasion rêvée d'évaluer la résistance et les contraintes du métal de la coque et de la soudure d'origine du constructeur, ce qui nous permettra de vérifier la validité des modèles employés pour prévoir la longévité à la fatigue et les limites opérationnelles des sous-marins. »

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