Amélioration de la transmission des ultrasons dans les métaux liquides dans un environnement à haute température

Résumé

Pour assurer l’inspection des réacteurs à neutrons rapides de 4ème génération, l’immersion de sondes ultrasonores dans les métaux liquides représente un enjeu majeur du domaine de l’énergie atomique. Le sodium fondu est le métal liquide envisagé pour le refroidissement des futurs réacteurs nucléaires. Diverses expériences menées sur ce métal liquide ont été réalisées et ont montré les difficultés à obtenir de bonnes transmissions ultrasonores à cause d’un couplage acoustique instable. De plus, la propagation des ondes acoustiques dans les métaux liquides demeure un sujet peu détaillé dans la littérature et les résultats acquis sont encore trop peu nombreux. Par ailleurs, réaliser des expériences avec du sodium liquide est très contraignant car il est hautement réactif à l’air ambiant, dangereux pour l’homme et nécessite donc un environnement neutre pour être utilisé. La découverte de nouveaux métaux liquides non toxiques aux propriétés intéressantes offre ainsi de nouvelles alternatives plus sécuritaires pour l’homme. C’est dans cette optique que se place cette étude menée sur le galinstan. Cet alliage de gallium, indium et étain présente d’excellentes caractéristiques dont une bonne stabilité chimique et une aptitude à être facilement manipulable à l’air ambiant. Étant liquide à température ambiante, il a été possible de réaliser des expériences sur une large gamme de températures. Néanmoins, le galinstan a le défaut de s’oxyder en présence d’oxygène formant ainsi une fine couche solide d’oxyde de gallium à sa surface afin de l’isoler de l’air ambiant. Améliorer la transmission des ultrasons dans les métaux liquides dans un environnement à haute température, tout en contrant les effets de l’oxydation, sont les enjeux de ce projet. Pour y parvenir, un protocole expérimental visant à identifier puis optimiser des paramètres améliorant le couplage acoustique entre la sonde et le galinstan, a été utilisé. À la suite de cela, différentes expériences ont été réalisées en immergeant des sondes ultrasonores dans le galinstan à des températures allant de 22°C jusqu’à 200°C. Les résultats montrent qu’il s’agit des propriétés viscoélastiques de la couche d’oxyde du galinstan qui limitent la propagation des ultrasons dans le métal liquide en favorisant la formation de bulles d’air à l’interface. En effet, la rugosité de surface du film facilite le piégeage de bulles d’air entre la sonde et la couche d’oxyde. Le dépôt de flux de soudage sur la surface immergée de la sonde a permis d’améliorer drastiquement les résultats de 72% à température ambiante et de 50% à 200°C. L’utilisation de flux s’est révélée être une méthode robuste lors de diverses immersions successives bien qu’elle puisse réduire la pureté du galinstan. Finalement, cette étude a montré que l’optimisation de paramètres clés (matériau et rugosité de la couche adaptative, flux de soudure, présence de la couche d’oxyde, vitesse d’immersion) pour le couplage acoustique permettait d’améliorer la transmission des ultrasons de manière significative dans le galinstan tant à température ambiante qu’à haute température (200°C).

Date	8 oct. 2024
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Pierre Bélanger (Directeur(-trice))