Collège militaire royal du Canada

Énergie et science nucléaire

Traitement par radiations et effets du rayonnement sur les matériaux

par : Dr. Hugues W. Bonin et Dr. Van Tam Bui

Dans une première phase, les propriétés adhésives de polymères tels que plusieurs types d'époxies ont été étudiées, à l'aide du réacteur nucléaire qui servait de source intense de radiations afin de déterminer les effets en fonction de la dose reçue. Pour certains des époxies, on a observé un renforcement des liens adhésifs entre le polymère et la surface de cylindres d'aluminium collés ensemble par ces adhésifs. Les effets des radiations, qui consistaient en un champ mixte de neutrons thermiques et rapides, de rayons gamma, d'électrons et de protons énergétiques, pouvaient être interprétés par les deux phénomènes dominants: la réticulation des molécules qui promouvoit l'intensification des forces adhésives, et la scission des chaînes qui affaiblit les liens.

Dans les phases subséquentes, la recherche s'est poursuivie dans plusieurs directions. L'étude des effets des radiations sur les polymères a continué sur d'autres types d'époxies, incluant le cas où l'adhésif était irradié durant le temps de cuisson. Puis, on a examiné de plus près un adhésif avancé, le « PEEK » ou Poly(Ether Ether Ketone), et on a trouvé que ce polymère était parmi les meilleurs adhésifs en termes de résistance aux radiations et pouvait très bien se prêter à des applications dans l'espace ou dans l'industrie nucléaire. Cette recherche en est présentement au stade de l'étude du comportement sous radiations de plusieurs types de matériaux composites à base d'adhésifs polymériques et de fibres.

De recherche consiste à utiliser le rayonnement produit par le réacteur nucléaire SLOWPOKE-2 pour neutraliser des explosifs plastiques qui ont excédé leur vie utile. Se débarrasser de ces explosifs épuisés représente un problème pour les Forces canadiennes à cause des quantités importantes de ces explosifs à base de nitrocellulose qui servent à la fabrication des munitions et des obus. La méthode utilisée présentement consiste simplement à faire exploser ou à brûler ces explosifs plastiques au milieu d'un vaste champ. Pour ce projet de recherche, on irradie dans la piscine du réacteur des échantillons non explosifs de diverses nitrocelluloses selon leur teneur en azote, puis ces échantillons sont analysés et comparés à des échantillons non-irradiés. Des méthodes d'analyse telles que la spectrométrie dans l'infrarouge par transformée de Fourier (« FTIR ») et la chromatographie par perméation de gel (« GPC ») sont utilisées pour démontrer que les radiations constituent un excellent outil pour dénitrer les molécules de nitrocellulose. Cette recherche vient de démontrer que cette approche pour se débarrasser des explosifs usés est très faisable et en est présentement au stade de la conception d'une installation d'irradiation pour utilisation par les Forces canadiennes.

Groupes de cylindres d'aluminium collés

Groupe de cylindres d'aluminium collés par de l'adhésif époxie en train d'être irradiés

Dans une troisième direction, cette recherche vise à concevoir un container pour l'entreposage à long terme de combustible nucléaire usé, ainsi que de déchets radioactifs de haute, moyenne et faible activité. Ce container serait fabriqué de matériaux composites à base de polymères. Cette recherche est subdivisée en deux parties distinctes: le désign d'un container pour l'entreposage du combustible nucléaire usé et des déchets radioactifs de haute activité d'une part, et le désign d'un container différent pour l'entreposage de déchets radioactifs de faible et de moyenne activité. Les conditions d'entreposage ultime du combustible nucléaire usé et les déchets nucléaires hautement radioactifs sont particulièrement exigeantes, puisque la méthode présentement proposée pour la disposition ultime de ces matières dangereuses prévoit l'enfouissement des containers dans des alvéoles creusées dans le granite de formations rocheuses souterraines très profondes dans le Bouclier canadien. Le container doit absolument demeurer parfaitement étanche pour au moins cinq cents ans ou plus. Il doit résister non seulement aux radiations émises par son contenu, mais aussi à l'attaque chimique résultant d'un contact prolongé avec les eaux souterraines, tout en supportant l'énorme pression hydrostatique de la matrice rocheuse à ces profondeurs, et finalement subir les températures élevées résultant de la chaleur dégagée par les atomes qui subissent la désintégration radioactive. Bien que les conditions d'entreposage soient moins exigeantes pour l'entreposage des déchets radioactifs de faible et moyenne activité, le problème de la conception d'un container destiné à la gestion de ces déchets n'en reste pas moins un défi captivant. La technique de disposition de ces déchets prévoit ici l'entreposage des containers soit en surface, soit dans des chambres enfouies peu profondément. Les containers doivent eux aussi conserver leur intégrité durant plusieurs siècles. Même si l'intensité des champs de radiation et de la chaleur émise par ces déchets est beaucoup plus faible que dans le cas des déchets hautement radioactifs, la résistance des parois des containers à l'agression chimique des contaminants en contact avec elles doit être maintenue et assurée pour plusieurs centaines d'années. Comme les volumes de déchets moyennement ou faiblement radioactifs sont beaucoup plus importants que dans le cas du combustible nucléaire usé et des matières hautement radioactives, les coûts de fabrication et de matériaux du container prennent ici une importance toute particulière.

Une conséquence intéressante de ce projet a été une recherche connexe sur la détermination des doses de radiation reçues par les échantillons placés dans le réacteur et sa piscine en fonction des durées d'irradiation. Pour ce travail, plusieurs projets ont été effectués et un programme de mesure expérimentale des flux des diverses particules et de leurs taux de dose, complémenté par la simulation du réacteur et de sa piscine à l'aide de logiciels tels que Microshield 5 et de programmes d'ordinateurs développés au Département spécifiquement à ces fins.

Container pour la disposition à long terme de grappes de combustible

Container pour la disposition à long terme de grappes de combustible CANDU usé.

(De: « Environmental Impact Statement on the Concept for Disposal of Canada's Nuclear Fuel Waste », Document AECL-10711 & COG-93-1, Énergie Atomique de Canada Ltée., sept. 1994)

Cette recherche a généré plusieurs projets en soutien à l'enseignement des programmes de Génie chimique et des matériaux et de Chimie avec spécialisation au niveau du baccalauréat, et des programmes de maîtrise et de doctorat en Génie nucléaire et en Génie chimique et des matériaux. Ces projets sont énumérés ci-dessous :

Baccalauréat en Génie chimique et des matériaux, et Baccalauréat en Chimie avec spécialisation

(Cours CMF/CME417 Projet de désign et SCE420 Senior Project) :
  • 1992-1993: « Analyse des dommages aux époxies des composites polymériques exposés à des environnements de radiations intenses ». (Étudiant: H.M. Pak)
  • 1993-1993: « Analyse des dommages aux époxies des composites polymériques exposés à des environnements de radiations intenses ». (Étudiants: D.P. Arnold, D. Chambers, et J.D. Schwindt)
  • 1994-1995: « Irradiation de nitrocellulose à basse teneur en azote ». (Étudiants: B. Brettschneider et C.A. Dann)
  • 1994-1995: « Effets des radiations sur les époxies des composites polymériques ». (Étudiant: P.E. Poirier)
  • 1995-1996: « Effets des radiations sur les époxies des composites polymériques ». (Étudiante: H.C. Harris)
  • 1996-1997: « Conception d'un container fait de matériaux composites pour la disposition à long terme du combustible nucléaire usé ». (Étudiants: A.R. Davey, T.D. Douglas, C.C.S. Duriez et G.B. MacGregor)
  • 1996-1997: « Neutralisation d'explosifs plastiques épuisés par les neutrons et la radiation gamma ». (Étudiants: M.L. Bickerton et D.P. Murphy)
  • 1996-1997: « Effets des radiations sur la cuisson des résines époxies ». (Étudiants: P.D. Duncan et M.A. Lajoie)
  • 1998-1999: « Conception d'un container fait de matériaux composites pour la disposition à long terme du combustible nucléaire usé ». (Étudiants: M.R. Dunning, K.R. Hoffman et C.A. McKenna)
  • 1998-1999: « Effets des radiations sur les adhésifs polymériques multi-composites ». (Étudiante: A. M. Gallagher)
  • 1999-2000: « Effets des radiations sur des matériaux composites basés sur des époxies ». (Étudiante: S.K. Power)
  • 2000-2001: « Désign d'une installation d'irradiation pour la destruction d'explosifs plastiques épuisés ». (Étudiants: J.O.A. Kim, M. L'Italien, E.L. Nault et C. Prechotko) (en cours)
  • 2000-2001: « Effets des radiations sur des matériaux composites basés sur des époxies ». (Étudiants: D.P. Francis et M.K. Grandlund) (en cours)

Thèses de Maîtrise en Génie (Génie nucléaire) :

  • Capt. J.Y.S.D. Pagé, « Effets des neutrons et de la radiation gamma sur le comportement visco-élastique du Poly(Aryl Éther Éther Cétone) », 1997.
  • Capt. K. M. Heppell-Masys, « Neutralisation d'explosifs plastiques épuisés par neutrons et radiation gamma », 2000.
  • Lt(M) M. Walker; « Désign d'un container fait de matériaux composites à base de polymères pour l'entreposage à long terme de déchets radioactifs de moyennes et faibles activités », (en cours).
  • MCpl I. Miedema; « Désign d'un container fait de matériaux composites à base de polymères pour l'entreposage à long terme de combustible nucléaire usé et de déchets radioactifs de hautes activités », (en cours).

Exemples de Publications :

  • H.W. Bonin, V.T. Bui, H. Pak, E. Poirier & H. Harris, « Radiation Effects on Aluminum-Epoxy Adhesive Strength », J. of Appl. Polymer Science, Vol. 67, 37-47 (1998).
  • V.T. Bui, H.W. Bonin, D. Rhéaume, H. Pak, D.P. Arnold, D. Chambers & J.D. Schwindt, « High Radiation Effects on Epoxy Adhesives », Compte-rendus du 35ième Symp. Int. de IUPAC sur les Macromolécules (MACROAKRON), Akron, Ohio, U.S.A., 11-15 juillet 1994, p. 1047.
  • K. Heppell-Masys, H.W. Bonin, V.T. Bui, M.L. Bickerton & D.P. Murphy, « Neutralization of Spent Plastic Explosives by Neutrons and Gamma Radiations », Compte-rendus de la 18ième Conf. Ann. de la Société Nucléaire Canadienne, Toronto, Ontario, Canada, 8-11 juin 1997 (Session 4C).
  • J.Y.S.D. Pagé, H.W. Bonin & V.T. Bui, « Effects of Neutron and Gamma Radiation on the Viscous Behaviour of Semi-Crystalline Polyetheretherketone (PEEK) », Compte-rendus de la 18ième Conf. Ann. de la Société Nucléaire Canadienne, Toronto, Ontario, Canada, 8-11 juin 1997 (Session 2B).
  • G.B. Lamarre & H.W. Bonin, « Experimental and Computational Determination of Radiation Dose Rates in the SLOWPOKE-2 Research Reactor at the Royal Military College of Canada », Compte-rendus de la 20ième Conf. Ann. de la Société Nucléaire Canadienne, Montréal, Québec, Canada, 30 mai- 2 juin 1999, Session 2A.
  • H.W. Bonin & V.T. Bui, « High Polymer-Based Composites for Spent Nuclear Fuel Disposal Containers », Compte-rendus de la 6ième Conf. Int. sur la Combustible CANDU, Niagara Falls, Ontario, Canada, 26-29 sept. 1999, Session 2C.
  • H.W. Bonin & V.T. Bui, « Composite Materials in Nuclear Industry: Specific Applications », Compte-rendus de la 7ième Conférence Annuelle Internationale sur le Génie des Composites, Denver, Colorado, U.S.A., 2-8 juillet 2000 (Invité).