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

Doassans-Carrère, Thibault (2024). Amélioration de la transmission des ultrasons dans les métaux liquides dans un environnement à haute température. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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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).

Titre traduit

Improving ultrasonic waves transmission through liquid metals in a high temperature environment

Résumé traduit

To ensure the integrity of fast neutron reactor, the immersion of ultrasonic probes in liquid metals stands as a major challenge in this field of energy. Molten sodium is the liquid metal envisaged for cooling new 4th generation nuclear reactors. Numerous experiments have been performed with this liquid metal, demonstrating the difficulty of obtaining good ultrasonic transmissions due to unstable acoustic coupling. Moreover, the propagation of acoustic waves in liquid metals is still a poorly covered topic in the literature, and the results obtained are still too few. Furthermore, conducting experiments with liquid sodium is very restrictive, as it is highly reactive in air and therefore requires a neutral environment to be used. The discovery of new, non-toxic liquid metals with interesting properties is relevant as they can replace most common human-dangerous liquid metals (sodium, mercury). It is in this perspective that this study using galinstan has been carried out. This gallium-based alloy has excellent characteristics, including good chemical stability and the ability to be easily handled in ambient air. Being liquid at room temperature, it was possible to conduct experiments over a wide temperature range. However, galinstan has the drawback of oxidizing in the presence of oxygen, forming a thin passivation layer on its surface to isolate it from ambient air. The challenge of this project is to improve ultrasound transmission in liquid metals in a high-temperature environment, while handling the effects of oxidation. To achieve this, an experimental protocol was used to identify and optimize parameters that improve the acoustic coupling between the probe and the galinstan. This was followed by experiments immersing ultrasonic probes in galinstan at temperatures ranging from 22°C to 200°C. The results show that it is the viscoelastic properties of the galinstan's oxide layer that limit ultrasound propagation in the liquid metal by promoting the formation of air bubbles at the interface. Depositing soldering flux on the immersed surface of the probe drastically improved results by 72% at room temperature and 50% at 200°C. The use of flux proved to be a robust method during successive immersions. Finally, this study showed that optimizing key parameters for acoustic coupling significantly improved ultrasound transmission in galinstan at both room temperature and high temperature (200°C).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par article présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maitrise avec mémoire en génie de la mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 91-95).
Mots-clés libres:	ondes ultrasonores, réflexion et transmission, haute température, métal liquide, galinstan, oxydation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	28 mars 2025 16:23
Dernière modification:	28 mars 2025 16:23
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3558

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