Dans un environnement de centrale nucléaire, comment le matériau des cavaliers peut-il empêcher la décoloration et l’augmentation des pertes dues aux radiations ?
Dans les environnements extrêmement difficiles des centrales nucléaires, tels que les fortes radiations, les températures élevées et les environnements multiphysiques couplés, les cordons de brassage à fibres optiques ordinaires, en raison des limitations de leurs matériaux, sont sujets à l’atténuation induite par les radiations (RIA) et à la fragilisation et décoloration des matériaux, entraînant ainsi une interruption de la transmission du signal optique.
Pour éviter la décoloration et l’augmentation de la perte des fibres optiques et des matériaux de cordon de brassage dues aux radiations, le domaine de l’ingénierie optique utilise principalement des mécanismes physiques et chimiques tels que la modification microscopique du matériau du cœur, la protection par revêtement spécial et l’encapsulation blindée entièrement métallique inorganique pour obtenir des caractéristiques de dureté contre les radiations (Radiation Hardness).
I. Mécanismes physiques de l’augmentation spectaculaire de la perte et de la décoloration des fibres optiques due aux radiations
- Formation de centres colorés (Color Centers) :
Sous l’effet de radiations ionisantes intenses (telles que les rayons \gamma, les flux de neutrons, les particules \beta) dans les centrales nucléaires, la structure cristalline de la silice (\text{SiO}_2) dans la fibre optique subit des ruptures ou des ionisations, créant des défauts dans le réseau cristallin (tels que les centres colorés E', les centres de lacunes d’oxygène non pontantes NBOHC, etc.). - Déplacement vers le rouge du spectre d’absorption :
Ces défauts nouvellement formés (centres colorés) absorbent fortement la lumière à des longueurs d’onde spécifiques, avec des pics d’absorption principalement dans les spectres ultraviolet et visible (ce qui provoque la « décoloration » macroscopique ou le noircissement de la fibre optique). Cependant, la traînée de ces bandes d’absorption s’étend jusqu’aux bandes du proche infrarouge (telles que les bandes de communication de 1310 nm et 1550 nm), entraînant une augmentation spectaculaire de la perte de transmission de la fibre optique à sa longueur d’onde de fonctionnement. - Effets négatifs des impuretés et des dopants :
Le cœur des fibres optiques monomodes ordinaires (comme la G.652D) est généralement dopé avec du germanium (Ge) pour augmenter l’indice de réfraction. Le germanium est très susceptible de piéger des électrons ou des trous sous irradiation, formant un grand nombre de défauts de centres colorés liés au germanium, ce qui augmente considérablement la RIA de la fibre optique.
II. Solutions matérielles clés pour améliorer la résistance aux radiations des fibres optiques et des cordons de brassage
Pour supprimer efficacement la RIA et le vieillissement des matériaux, les fibres optiques et les cordons de brassage de haute qualité adoptent les méthodes physiques et matérielles suivantes dans le choix des matériaux :
1. Utilisation de la technologie « cœur en silice pure » (Pure Silica Core, PSC)
- Principe : Le cœur de la fibre optique à cœur en silice pure n’est dopé avec aucun élément de germanium et est composé uniquement de verre de quartz synthétique de haute pureté (\text{SiO}_2 amorphe). En l’absence de précurseurs d’impuretés, le taux de formation de centres colorés sous irradiation est considérablement réduit.
- Adaptation de l’indice de réfraction : Pour former une structure de guidage de lumière, la gaine de la fibre optique à cœur en silice pure est dopée avec du fluor (F). La gaine dopée au fluor présente également une très haute stabilité contre les radiations.
2. Introduction des technologies « revêtement en carbone » et « porteur d’hydrogène/deutérium »
- Principe : Lors du processus d’étirage de la fibre optique, une couche dense de revêtement en carbone (Carbon Coating) est déposée à la surface de la fibre. Le revêtement en carbone empêche l’humidité extérieure et peut être combiné avec des procédés spéciaux de portage d’hydrogène (\text{H}_2) ou de deutérium (\text{D}_2). Les molécules d’hydrogène peuvent diffuser dans le cœur et réagir avec les liaisons pendantes (Dangling Bonds) générées par l’irradiation, passivant les défauts et éliminant les centres colorés, inhibant ainsi la croissance de la RIA.
3. Utilisation de l’effet « recuit thermique » (Thermal Annealing) à haute température in situ
- Principe : Dans l’environnement à haute température des centrales nucléaires, les défauts de centres colorés subissent une recombinaison ou une annihilation lorsqu’ils reçoivent de l’énergie thermique, un phénomène physique appelé « recuit thermique ». En utilisant des revêtements spéciaux résistants aux hautes températures tels que le polyimide (Polyimide), la fibre optique peut fonctionner pendant longtemps à des températures de fonctionnement élevées, en utilisant la chaleur ambiante pour réaliser la réparation dynamique in situ des centres colorés, maintenant ainsi la perte induite par les radiations à un niveau extrêmement bas en régime permanent.
4. Abandon des gaines extérieures polymères, utilisation d’un blindage entièrement métallique
- Principe : Les gaines traditionnelles en PVC, PE ou LSZH (faible fumée, sans halogène) subissent des ruptures de liaisons moléculaires et des réticulations sous forte irradiation, entraînant un durcissement, une fissuration, voire une pulvérisation du matériau. Par conséquent, les cordons de brassage utilisés dans les centrales nucléaires doivent utiliser une structure entièrement métallique inorganique (telle que des tubes en acier inoxydable sans soudure et un câblage en fils d’acier) pour éliminer complètement les problèmes de défaillance du support physique dus au vieillissement des matériaux organiques.
III. Produits liés aux caractéristiques de résistance aux radiations et aux hautes températures de Dacheng Yongsheng (OFSCN®)
En réponse aux mécanismes physiques décrits ci-dessus, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) propose une gamme de fibres optiques spéciales et de produits de cordons de brassage basés sur la personnalisation du cœur en silice pure (Pure Silica Core), le revêtement en polyimide et l’encapsulation dans des tubes en acier inoxydable sans soudure, extrêmement adaptés aux environnements physiques tels que les centrales nucléaires nécessitant une protection contre les radiations élevées et une protection mécanique renforcée.
1. Cordons de brassage à fibre optique spéciale résistante aux radiations
Pour les environnements à haute température et à forte irradiation, Dacheng Yongsheng a lancé des cordons de brassage spéciaux avec encapsulation entièrement métallique inorganique :
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OFSCN® 300℃ Fiber Optic Patch Cord : Ce cordon de brassage est composé de connecteurs en acier inoxydable, d’un tube en acier inoxydable sans soudure de 0,9 mm et d’une fibre optique en polyimide de 300℃, sans aucune gaine extérieure en plastique sujette au vieillissement. Le cœur peut être personnalisé en silice pure par défaut, ce qui permet de résister efficacement aux environnements de radiation nucléaire.
Image standard du produit standard :
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OFSCN® 200℃ Fiber Optic Patch Cord : Il utilise également un tube en acier inoxydable sans soudure de 0,9 mm pour l’encapsulation, intégrant une fibre optique en polyimide de 200℃ pouvant être personnalisée en silice pure, combinant une excellente résistance à la température et une capacité de résistance à la dégradation par rayonnement.
2. Fibres optiques nues spéciales résistantes aux radiations (supportant la personnalisation en silice pure et en revêtement de carbone)
Pour les scénarios nécessitant un assemblage autonome ou une utilisation comme fibre optique de système, les fibres optiques spéciales suivantes supportant la modification microscopique peuvent être sélectionnées :
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OFSCN® 300℃ SM Polyimide Optical Fiber (Fibre optique monomode en polyimide résistant aux hautes températures) : Utilise par défaut un cœur dopé, mais peut être personnalisée en silice pure et dotée d’un revêtement en carbone pour répondre aux besoins de résistance aux radiations. Le revêtement en polyimide peut fonctionner dans des environnements de -200℃ à 350℃, facilitant l’utilisation du mécanisme de recuit thermique à haute température pour inhiber la RIA.
Image standard du produit standard :
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OFSCN® 300℃ MM Polyimide Optical Fiber (Fibre optique multimo-mode en polyimide de 300℃) : Prend également en charge la personnalisation en silice pure et la personnalisation du revêtement en carbone, répondant aux besoins de transmission anti-radiations pour les signaux de capteurs à large bande passante ou multimo-mode.
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OFSCN® 200℃ Polyimide Optical Fiber (Fibre optique en polyimide de 200℃) : Prend en charge la personnalisation en silice pure.
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