Clefs n°59 été 2010
Clefs n°59 été 2010
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de été 2010

  • Périodicité : annuel

  • Editeur : CEA

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 160

  • Taille du fichier PDF : 16,5 Mo

  • Dans ce numéro : les matériaux au coeur du processus d'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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10 Les matériaux pour le nucléaire Des innovations pour les matériaux de l’assemblage combustible des réacteurs à eau légère Bien que les efforts de R&D de ces dernières années aient permis d’améliorer significativement les performances des matériaux de l’assemblage combustible des réacteurs à eau légère et de disposer ainsi de marges de fonctionnement importantes, le gainage du combustible, première barrière de confinement des produits et des gaz de fission radioactifs, fait toujours l’objet d’une attention soutenue. Aussi, des pistes d’innovation sont à l’étude pour accroître encore sa robustesse en conditions nominales ainsi qu’en situations hypothétiques accidentelles. Des essais d’éclatement de gaines en conditions accidentelles à haute température sont réalisés dans l’installation « EDGAR » du Service de recherches métallurgiques appliquées (DEN/DMN/SRMA). Une partie de la gaine chauffée par effet Joule est visible à travers le hublot. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 A P.Stroppa/CEA u sein des réacteurs nucléaires à eau légère (REL), l’assemblage combustible (figure 1) joue un rôle de tout premier ordre sur l’efficacité et la sûreté du réacteur. En particulier, les matériaux de gainage du combustible doivent obéir à un cahier des charges strict et exigeant, dans la mesure où la gaine constitue non seulement la première barrière de confinement des produits et des gaz de fission radioactifs, mais participe aussi à la stabilité dimensionnelle de l’ensemble de l’assemblage, tout en assurant le transfert de chaleur entre le combustible proprement dit et le fluide caloporteur (eau). Les matériaux de gainage du combustible des REL, en alliages base zirconium (Zr), sont donc tenus de résister au mieux aux différentes contraintes en service telles que la corrosion due à l’eau du milieu primaire, à une température de fonctionnement relativement élevée, aux effets de l’irradiation neutronique et aux chargements mécaniques (1) potentiels. Tout ceci a conduit, depuis de nombreuses années, le CEA et ses partenaires industriels à étudier et qualifier de « nouveaux » matériaux de gainage du combustible en visant à accroître leurs performances et à garantir les marges de fonctionnement en conditions nominales ainsi qu’en situations incidentelles ou accidentelles. Ainsi, au cours des vingt dernières années, les développements industriels menés en particulier par Areva NP, en partenariat avec le CEA, ont permis d’apporter des améliorations significatives à l’assemblage combustible des REL. Au niveau des matériaux de gainage, il faut entre autres retenir le développement, la qualification et la mise en œuvre du M5 d’Areva NP. Cet alliage [base Zr-1%Nb (niobium)-O (oxygène)] présente en effet une résistance à la corrosion en service très nettement supérieure à celle Figure 1. Portion d’assemblage combustible d’un réacteur à eau sous pression (REP) composé de courts tronçons de gaines de combustible avec bouchons et d’une partie de grille d’espacement des crayons. Un assemblage combustible réel peut comporter jusqu’à 17 x 17 crayons de plus de 4 m de long. (1) Chargements mécaniques : contraintes exercées sur le matériau/composant en service et/ou en conditions accidentelles, d’origines thermique et/ou mécanique. Par exemple, en service, le tube de gainage combustible subit une pression interne due au gaz de pressurisation initiale et aux gaz de fission, ainsi qu’une pression externe due à l’eau pressurisée (155 bars). En outre, après rattrapage du jeu pastille-gaine initial (au-delà de 1 à 2 cycles de fonctionnement), viennent s’ajouter des contraintes exercées par la pastille de combustible elle-même qui a tendance à gonfler, du fait de la création en son sein des gaz de fission. P.Stroppa/CEA
du Zircaloy-4 – matériau de gainage du combustible de référence (2), déjà ancien, de type Zr-1,3%Sn (étain)- 0,2%Fe (fer)-0,1%Cr (chrome)-O (oxygène) –, comme l’illustre la figure 2. À plus long terme, les chercheurs ambitionnent cependant d’accroître encore les performances et la robustesse des matériaux de l’assemblage combustible des REL, en particulier pour permettre une meilleure manœuvrabilité et une augmentation des cycles de fonctionnement et/ou du taux de combustion à décharge du combustible, tout en garantissant des marges de sûreté suffisantes, notamment en conditions hypothétiques accidentelles. La R&D en support nécessite d’étudier le comportement des matériaux, depuis les échelles fines (pour la compréhension des phénomènes physiques) jusqu’aux échelles plus macroscopiques (comportement en service, essais semi-intégraux en conditions accidentelles…), et de développer en parallèle une modélisation avancée pour simuler au mieux le comportement des matériaux de gainage du combustible et disposer ainsi « d’outils prédictifs ». Des concepts de gainage combustible innovants Des pistes d’innovation pour les matériaux de l’assem- blage combustible sont donc explorées. Des études prospectives visant à évaluer, à plus ou moins long terme, des concepts innovants de gainage, permettant des gains vis-à-vis de certaines des propriétés recherchées pour l’assemblage combustible des REL du futur, sont menées au CEA. Une gaine « composite » Il s’agit ici d’améliorer significativement la résistance mécanique à chaud des gaines de combustible, jusqu’aux hautes températures susceptibles d’être atteintes lors de certains scénarios accidentels hypothétiques tels que l’accident par perte de réfrigérant primaire (APRP). L’une des idées qui a prévalu consiste à développer des gaines composites en associant un matériau de gainage traditionnel métallique (alliages base zirconium) – garantissant l’étanchéité de la gaine – à un matériau céramique plus résistant à chaud. Parmi les matériaux céramiques envisagés, il convient de citer le spinelle de magnésium choisi pour sa compatibilité à l’égard des propriétés neutroniques requises et pour son comportement sous irradiation a priori non rédhibitoire. Des prototypes de gaines composites stratifiées métal-céramique ont ainsi été réalisés par dépôt par projection plasma. Toutefois, cette piste a été pour l’instant abandonnée car la phase de frittage à haute température, indispensable pour densifier le matériau projeté, induit des phénomènes d’interdiffusion conduisant à une forte dégradation des interfaces entre les différentes couches de matériaux. Par ailleurs, aux plus basses températures, caractéristiques des conditions nominales de fonctionnement, la présence de couches en matériau céramique entraîne une diminution de la conductivité thermique et une perte de ductilité globale du gainage combustible, qui pourraient (2) Combustible de référence : le combustible standard UOX des réacteurs à eau légère est constitué d’oxyde d’uranium enrichi en uranium 235. épaisseur d’oxyde formé à la cote d’oxydation maximale (μm) 120 100 80 60 40 20 0 0 16 x 16 crayons 17 x 17 crayons 18 x 18 crayons 14 x 14 crayons 15 x 15 crayons 10 000 taux de combustion moyen du crayon combustible (MW.j/tU) Figure 2. Évolution de l’épaisseur d’oxyde formé en service sur les matériaux de gainage du combustible des REP (au niveau le plus chaud) en fonction du taux de combustion. (D. KACZOROWSKI et al. « Corrosion behavior of alloy M5 : experience feedback and understanding of phenomenological aspects » WRFPM, Seoul, Korea, October 19-23, 2008). Échantillons de gaines ayant subi des tests d’éclatement en conditions accidentelles à haute température dans l’installation « EDGAR ». Essai de dilatométrie de trempe effectué sur un échantillon de gaine soumis à des conditions dynamiques de chauffage puis refroidissement (jusqu’à 100 °C/s). 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000 80 000 P.Stroppa/CEA P.Stroppa/CEA matériau à faible teneur en étain Zircaloy-4 CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 11



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