R.E.News future Technology-Breakthrough 3D Imaging Technique Could Transform Nuclear Reactor Safety

 02/09/25-FR-English-NL-footer

Une percée en imagerie 3D qui pourrait transformer la sûreté des réacteurs nucléaires

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Des chercheurs du MIT ont dévoilé une avancée technologique majeure : une méthode inédite permettant d’observer en trois dimensions, et en temps réel, la dégradation des matériaux dans un environnement simulant celui d’un réacteur nucléaire. Cette prouesse ouvre la voie à des réacteurs plus sûrs, plus durables et plus performants, tant pour la production d’énergie que pour la propulsion navale.

Grâce à des rayons X ultra-concentrés et d’une intensité exceptionnelle, l’équipe a pu recréer les conditions extrêmes régnant dans un réacteur et suivre en direct les mécanismes de corrosion, de fissuration et de rupture. Une capacité qui pourrait bouleverser la manière dont les ingénieurs conçoivent, entretiennent et prolongent la vie des systèmes nucléaires.

De l’analyse a posteriori à l’observation instantanée

Jusqu’à présent, l’étude des défaillances reposait sur l’examen d’échantillons retirés du réacteur, analysés après coup en laboratoire. Une méthode utile, mais incapable de saisir la dynamique réelle de la dégradation.

« Si nous pouvons améliorer les matériaux d’un réacteur, nous en prolongeons la durée de vie et retardons les défaillances. Notre technique repousse les limites en nous permettant de voir en temps réel comment les matériaux échouent », explique le professeur Ericmoore Jossou, qui occupe des postes au sein du département de génie nucléaire (NSE), d’ingénierie électrique et informatique (EECS), ainsi qu’au Schwarzman College of Computing du MIT.

Publiée dans Scripta Materialia, la recherche a été menée par David Simonne, chercheur postdoctoral au NSE, avec l’étudiant diplômé Riley Hultquist, Jiangtao Zhao de l’ESRF (European Synchrotron), et Andrea Resta du synchrotron SOLEIL.

L’art de fabriquer l’échantillon parfait

Les expériences ont porté sur le nickel, un métal clé dans les alliages de réacteurs. Mais élaborer un échantillon stable s’est révélé complexe. Le film de nickel déposé sur un substrat de silicium réagissait de manière inattendue, compromettant l’expérience. La solution ? Introduire une fine couche d’oxyde de silicium entre les deux. Celle-ci a évité la réaction indésirable, mais généré une contrainte élevée dans la structure cristalline.

Normalement, ces contraintes font échouer les algorithmes de reconstruction 3D. Pourtant, l’équipe a découvert qu’en exposant plus longtemps l’échantillon au faisceau de rayons X, la contrainte se relâchait progressivement, permettant une imagerie stable et d’une précision inégalée. « Personne n’avait réussi cela auparavant », souligne Jossou. « Nous pouvons désormais observer la corrosion en 3D, sous des conditions proches de celles d’un réacteur nucléaire. »

Une découverte à double usage

Au fil des essais, une surprise est apparue : le faisceau de rayons X pouvait aussi être utilisé pour manipuler la contrainte dans le matériau. Une perspective révolutionnaire pour la microélectronique, où les ingénieurs cherchent précisément à contrôler la contrainte afin d’optimiser les propriétés électriques ou optiques des dispositifs.

« C’est comme obtenir deux découvertes pour le prix d’une », s’enthousiasme Jossou.

Vers des réacteurs plus sûrs et une industrie plus résiliente

L’équipe ambitionne désormais d’appliquer la technique à des matériaux plus complexes comme les aciers et alliages avancés utilisés dans le nucléaire et l’aéronautique, et d’explorer comment moduler encore plus finement la contrainte via la couche d’oxyde de silicium.

Pour Edwin Fohtung, professeur associé à l’Institut polytechnique Rensselaer, cette avancée a une portée considérable : « Elle éclaire de manière fondamentale la manière dont les matériaux à l’échelle nanométrique réagissent aux radiations, un enjeu majeur pour l’énergie, la microélectronique et les matériaux quantiques. Elle montre aussi combien le substrat joue un rôle critique dans la relaxation des contraintes. »

En permettant d’observer la dégradation des matériaux en direct, cette innovation ouvre la voie à une nouvelle génération de réacteurs nucléaires — plus sûrs, plus efficaces et beaucoup plus durables. Et son potentiel dépasse déjà le cadre de l’énergie, annonçant des retombées jusqu’à la microélectronique de demain.
NJC.© Info  the Department of Nuclear Engineering (NSE), Electrical and Computer Engineering (EECS), and the Schwarzman College of Computing at MIT.

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 02/09/25-English

A breakthrough in 3D imaging that could transform nuclear reactor safety

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MIT researchers have unveiled a major technological advance: a novel method for observing, in three dimensions and in real time, the degradation of materials in an environment simulating that of a nuclear reactor. This feat paves the way for safer, more durable, and more efficient reactors, both for energy production and naval propulsion.

Using ultra-concentrated and exceptionally intense X-rays, the team was able to recreate the extreme conditions prevailing in a reactor and directly monitor the mechanisms of corrosion, cracking, and fracture. This capability could revolutionize the way engineers design, maintain, and extend the life of nuclear systems.

From a posteriori analysis to instantaneous observation

Until now, the study of failures has relied on the examination of samples removed from the reactor, analyzed afterward in the laboratory. A useful method, but unable to capture the real dynamics of degradation.

"If we can improve a reactor's materials, we extend its lifespan and delay failures. Our technique pushes the boundaries by allowing us to see in real time how materials fail," explains Professor Ericmoore Jossou, who holds appointments in the Department of Nuclear Engineering (NSE), Electrical and Computer Engineering (EECS), and the Schwarzman College of Computing at MIT.

Published in Scripta Materialia, the research was conducted by David Simonne, a postdoctoral researcher at NSE, with graduate student Riley Hultquist, Jiangtao Zhao of the European Synchrotron (ESRF), and Andrea Resta of the SOLEIL synchrotron.

The art of making the perfect sample

The experiments focused on nickel, a key metal in reactor alloys. But developing a stable sample proved complex. The nickel film deposited on a silicon substrate reacted unexpectedly, compromising the experiment. The solution? Introduce a thin layer of silicon oxide between the two. This prevented the unwanted reaction, but generated high stress in the crystal structure.

Normally, these stresses cause 3D reconstruction algorithms to fail. However, the team discovered that by exposing the sample to the X-ray beam for longer, the stress gradually released, allowing for stable imaging with unparalleled precision. "No one had achieved this before," Jossou emphasizes. "We can now observe corrosion in 3D, under conditions close to those of a nuclear reactor."

A Dual-Purpose Discovery

As the tests progressed, a surprise emerged: the X-ray beam could also be used to manipulate the stress in the material. This represents a revolutionary prospect for microelectronics, where engineers are specifically seeking to control stress in order to optimize the electrical or optical properties of devices.

"It's like getting two discoveries for the price of one," enthuses Jossou.

Towards safer reactors and a more resilient industry

The team now aims to apply the technique to more complex materials such as steels and advanced alloys used in nuclear power and aeronautics, and to explore how to modulate stress even more precisely via the silicon oxide layer.

For Edwin Fohtung, Associate Professor at Rensselaer Polytechnic Institute, this advance has considerable significance: "It sheds fundamental light on how nanoscale materials react to radiation, a major challenge for energy, microelectronics, and quantum materials. It also shows how the substrate plays a critical role in stress relaxation."

By making it possible to observe the degradation of materials in real time, this innovation paves the way for a new generation of nuclear reactors—safer, more efficient, and much more sustainable. And its potential already extends beyond energy, heralding benefits as far as the microelectronics of tomorrow.
NJC.© Info the Department of Nuclear Engineering (NSE), Electrical and Computer Engineering (EECS), and the Schwarzman College of Computing at MIT.

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 02/09/25-NL

Een doorbraak in 3D-beeldvorming die de veiligheid van kernreactoren zou kunnen veranderen

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MIT-onderzoekers hebben een belangrijke technologische vooruitgang onthuld: een nieuwe methode om de degradatie van materialen in drie dimensies en in realtime te observeren in een omgeving die die van een kernreactor simuleert. Deze prestatie effent het pad voor veiligere, duurzamere en efficiëntere reactoren, zowel voor energieproductie als voor scheepsvoortstuwing.

Met behulp van ultrageconcentreerde en uitzonderlijk intense röntgenstraling kon het team de extreme omstandigheden in een reactor nabootsen en de mechanismen van corrosie, scheurvorming en breuk direct monitoren. Deze mogelijkheid zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de manier waarop ingenieurs nucleaire systemen ontwerpen, onderhouden en de levensduur ervan verlengen.

Van a posteriori-analyse naar directe observatie

Tot nu toe was de studie van storingen gebaseerd op het onderzoeken van monsters die uit de reactor waren verwijderd en vervolgens in het laboratorium waren geanalyseerd. Een nuttige methode, maar niet in staat om de werkelijke dynamiek van de degradatie vast te leggen.

"Als we de materialen van een reactor kunnen verbeteren, verlengen we de levensduur en vertragen we storingen. Onze techniek verlegt de grenzen door ons in staat te stellen in realtime te zien hoe materialen falen", legt professor Ericmoore Jossou uit, verbonden aan de faculteit Nucleaire Technologie (NSE), Elektrotechniek en Computertechnologie (EECS) en het Schwarzman College of Computing van MIT.

Het onderzoek, gepubliceerd in Scripta Materialia, werd uitgevoerd door David Simonne, postdoctoraal onderzoeker bij NSE, samen met promovendus Riley Hultquist, Jiangtao Zhao van de European Synchrotron (ESRF) en Andrea Resta van de SOLEIL-synchrotron.

De kunst van het maken van het perfecte monster

De experimenten richtten zich op nikkel, een belangrijk metaal in reactorlegeringen. Maar het ontwikkelen van een stabiel monster bleek complex. De nikkelfilm die op een siliciumsubstraat was afgezet, reageerde onverwacht, waardoor het experiment in gevaar kwam. De oplossing? Breng een dunne laag siliciumoxide tussen de twee aan. Dit voorkwam de ongewenste reactie, maar zorgde wel voor een hoge spanning in de kristalstructuur.

Normaal gesproken zorgen deze spanningen ervoor dat 3D-reconstructiealgoritmen falen. Het team ontdekte echter dat door het monster langer aan de röntgenbundel bloot te stellen, de spanning geleidelijk afnam, wat stabiele beelden met ongeëvenaarde precisie mogelijk maakte. "Niemand had dit eerder gepresteerd", benadrukt Jossou. "We kunnen corrosie nu in 3D observeren, onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van een kernreactor."

Een ontdekking met twee doelen

Naarmate de tests vorderden, kwam er een verrassing naar boven: de röntgenbundel kon ook worden gebruikt om de spanning in het materiaal te manipuleren. Dit vertegenwoordigt een revolutionair vooruitzicht voor de micro-elektronica, waar ingenieurs specifiek proberen de spanning te beheersen om de elektrische of optische eigenschappen van apparaten te optimaliseren.

"Het is alsof je twee ontdekkingen krijgt voor de prijs van één", aldus Jossou enthousiast.

Op weg naar veiligere reactoren en een veerkrachtigere industrie

Het team wil de techniek nu toepassen op complexere materialen zoals staal en geavanceerde legeringen die worden gebruikt in de kernenergie en de luchtvaart, en onderzoeken hoe spanning nog nauwkeuriger kan worden gemoduleerd via de siliciumoxidelaag.

Voor Edwin Fohtung, universitair hoofddocent aan het Rensselaer Polytechnic Institute, is deze vooruitgang van groot belang: "Het werpt fundamenteel licht op hoe nanomaterialen reageren op straling, een grote uitdaging voor energie, micro-elektronica en kwantummaterialen. Het laat ook zien hoe het substraat een cruciale rol speelt bij spanningsrelaxatie."

Door de degradatie van materialen in realtime te kunnen observeren, maakt deze innovatie de weg vrij voor een nieuwe generatie kernreactoren – veiliger, efficiënter en veel duurzamer. En het potentieel reikt nu al verder dan energie en biedt voordelen tot aan de micro-elektronica van morgen.
NJC.© Info over de faculteit Nucleaire Technologie (NSE), Elektrotechniek en Computertechnologie (EECS) en het Schwarzman College of Computing van MIT.

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