Voir l’hydrogène par diffraction de neutrons

Principe de la méthode

Comme toute particule, les neutrons ont un caractère ondulatoire. La longueur d’onde des neutrons thermiques issus d’un réacteur nucléaire est de l’ordre de 0,1 nm, comparable aux distances interatomiques dans les solides : ils donnent donc lieu, tout comme les rayons X, à des phénomènes de diffraction dans les solides mono ou polycristallins. Néanmoins, le caractère très différent des interactions neutron-matière (interaction nucléaire principalement) et rayons X-matière (interaction électromagnétique) fait que la technique de diffraction de neutrons apporte des informations originales et complémentaires des rayons X.

En particulier les neutrons sont beaucoup plus sensibles aux éléments légers. Pour l’hydrogène la diffusion dite incohérente importante vient augmenter le fond continu des mesures.

Deux autres avantages des neutrons sont la possibilité de modifier les facteurs de structure par substitution isotopique (ex : hydrogène/deutérium) et la grande pénétration (~cm) dans la plupart des matériaux.

Cercles de diamètre proportionnel à l’amplitude de la diffusion cohérente : comparaison rayons X (vert), neutrons (bleu, b>0 ; rouge, b<0) 

• Localisation d’atomes légers (H, D, Li, C, N, O, etc…) par analyse des raies de diffraction
• Séparation d’éléments voisins du tableau périodique (ex : Fe/Cr), difficile aux rayons X
• Dosage de phases dans l’ensemble du volume (cm³) d’un matériau multiphasé
• Dosage de l’hydrogène à partir de la mesure de la diffusion incohérente
• Suivi in-situ de transformations de phases, procédés d’élaboration, de dégradation de matériaux due à l’absorption de H₂ ou H₂O

Diffractomètre G4.1

Le LLB possède quatre diffractomètres pour poudres adaptés à des problèmes très divers de science et technologie des matériaux (haute résolution, haut flux...).

Le diffractomètre G4.1 est équipé d’un multidétecteur linéaire de 800 cellules : il permet de faire des études de cinétique à l’échelle de la minute. Cryostats et fours permettent de couvrir un domaine de températures de 1,4 K à 1000° C.

Le Zircaloy-4, alliage de gainage des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), est sensible à la corrosion par l’hydrogène en conditions de fonctionnement (sous 155 bars de H₂O à 300°C). La diffraction de neutrons a permis de doser, de manière non destructive:

- l’hydrogène total avec une précision de 20 ppm poids dans des gaines hydrurées à des taux différents, à partir de l’augmentation du fond continu des spectres,

- la part d’hydrogène ayant précipité sous forme d’hydrure (responsable de fragilisation) à partir de l’intensité des raies de diffraction,

- de suivre in-situ l’évolution de ces quantités en fonction de la température (simulant des conditions normales ou anormales de fonctionnement des réacteurs à eau pressurisée électrogènes).

Les pics (diffusion cohérente) informent sur les phases cristallines présentes, le fond (diffusion incohérente) informe sur la quantité totale d’hydrogène présent.

Les hydrures métalliques absorbent l’hydrogène de manière réversible et sont ainsi de bons candidats pour le stockage de l’hydrogène. L’analyse par la méthode de Rietveld (analyse de profil) des diagrammes de diffraction de neutrons sur des poudres deutérées, a permis de déterminer sans ambiguïté, dans les composés intermétalliques de type LaNi_5-xSn_xD_y , les sites de la structure hôte occupés par l’hydrogène (représentés par des tétraèdres sur la figure ci-contre). Ces matériaux sont utilisés dans des applications cryostatiques pour les sondes spatiales.

- CEA/DRN : hydrogène dans les gaines de réacteurs REP

- IFP : molécules organiques insérées dans des zéolites

- ENEA (Italie) : matériaux pour piles à combustible

- Jet Propulsion Laboratory (USA): Hydrogen sorption cryocoolers for the PLANCK mission

Françoise Bourée, Gilles André
01 69 08 54 49, 01 69 08 60 22

Téléphone : 01 69 08 95 58
Télécopie : 01 69 08 14 80
internet: http://www-llb.cea.fr/industrie/