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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12 épaisseur d’oxyde formé (μm) Les matériaux pour le nucléaire Machine d’essais d’éclatement en pression interne de gaines en conditions nominales (environ 350 °C) et vue des tronçons de gaines après test. 120 100 80 60 40 20 gaine témoin (non revêtue) gaine revêtue 0 0 500 1000 1 500 2 000 2 500 3 000 3 500 CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 s’avérer rédhibitoires en service. Néanmoins, il faut signaler qu’un concept « céramique-céramique » de type SiCf/SiC (matrice de carbure de silicium SiC renforcée par des fibres longues de SiC), inspiré des développements effectués pour le gainage des futurs réacteurs à neutrons rapides refroidis au gaz (RNR-G ; GFR en anglais pour Gas Fast Reactor) – l’une des temps d’oxydation à 1 100 °C (s) oxyde (ZrO2) d’épaisseur 60 μm gaine non revêtue 100 μm oxyde (ZrO2) d’épaisseur 5 μm gaine revêtue 100 μm 850s, vapeur, 1 100 °C Figure 3. Comportement de tronçons de gaines de combustible lors de l’oxydation en vapeur à haute température (1 100 °C) simulant des conditions accidentelles hypothétiques, tel l’accident par perte de réfrigérant primaire (APRP). P.Stroppa/CEA CEA/DEN/DMN/SRMA filières des réacteurs nucléaires de quatrième génération –, est à l’étude dans certains laboratoires étrangers pour une application à des REL du futur. Une gaine revêtue Une autre piste d’innovation consiste à tenter d’améliorer la résistance à la corrosion en conditions nominales – mais surtout accidentelles à haute température (APRP) – par le biais d’un revêtement ad hoc, en bénéficiant des technologies modernes de dépôt telles que les procédés de dépôt physique en phase vapeur (PVD) et de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le choix s’est rapidement porté sur des revêtements métalliques plutôt que de type céramique, notamment en raison des problèmes de compatibilités physicochimique et thermomécanique entre le revêtement et le substrat métallique en alliage de zirconium. Toute une variété de dépôts est à l’étude, en particulier de type multicouches submicroniques. La multiplication des sous-couches permet d’une part, d’associer alternativement différents types de matériaux de revêtement et d’autre part, d’augmenter l’étanchéité du revêtement en cas de défauts et/ou de fissuration de certaines des sous-couches. Les premiers résultats obtenus sont encourageants. En particulier, sur plusieurs types de dépôts multicouches, un gain très significatif sur la résistance à l’oxydation à haute température, simulant des conditions accidentelles hypothétiques, a été constaté (figure 3). Il reste toutefois à étudier le comportement de tels dépôts sous irradiation ainsi que la possibilité de leur transposition à une échelle plus industrielle. Une gaine « empoisonnée » à l’erbium En vue d’accroître le taux de combustion à décharge du combustible et/ou les longueurs de cycles de fonctionnement, il est indispensable d’augmenter l’enrichissement du combustible en isotopes fissiles. Une telle évolution implique nécessairement de disposer d’une anti-réactivité neutronique améliorée. Pour ce faire, l’une des voies traditionnellement adoptées consiste à ajouter directement dans les pastilles de combustible un poison neutronique consommable, en général de l’oxyde de gadolinium (Gd 2 O 3). Il est alors question d’empoisonnement neutronique hétérogène, car seuls quelques crayons de chaque assemblage combustible sont concernés. Ce type de concept constitue d’ailleurs une référence pour les assemblages des futurs EPR (European Pressurized water Reactor). Une alternative, objet d’une R&D en cours, consiste alors à introduire le poison neutronique dans le matériau de gainage plutôt que dans les pastilles de combustible. Le choix s’est porté sur l’erbium (Er), compte tenu de ses caractéristiques neutroniques jugées plus favorables pour le concept envisagé. Comme c’est généralement le cas pour tout développement de matériaux nouveaux, les premiers problèmes à résoudre concernent les aspects « fabricabilité ». Puis, dans un deuxième temps, il s’agit de vérifier l’adéquation des propriétés obtenues avec le cahier des charges pour l’application visée. Pour mener à bien la fabrication de gaines prototypes base zirconium avec introduction d’erbium, il a fallu, pour commencer, vérifier la compatibilité physicochimique d’une terre rare comme l’erbium
CEA/DEN/DMN/SRMA gainage en cuivre pour l’étape de co-filage à chaud partie externe en Zr-1%Nb partie interne en Zr-1%Nb couches intercalaires (tôles minces en alliage zirconiumerbium élaborées par fusion à l’arc puis laminées-pliées) vis-à-vis d’une matrice base zirconium. Une première voie de fabrication par métallurgie des poudres a tout d’abord été mise en œuvre avec les moyens dispo nibles au CEA. Celle-ci a permis d’aboutir à une première production de gaine « Triplex », c’est-à-dire à trois couches, dans laquelle l’erbium est inséré sous forme d’une couche intercalaire en alliage zirconium-erbiumentre deux couches en alliage Zr-1%Nb (niobium) éprouvé industriellement. Plus récemment, une gamme de fabrication semi-industrielle, basée sur des procédés de co-filage à chaud puis co-laminage à froid, a été mise en œuvre avec succès grâce à une collaboration avec Areva NP/CEZUS et a conduit à l’élaboration de près de 10 mètres de tube de gaine prototype (figure 4). Les premiers résultats acquis s’avérant encourageants, deux brevets CEA ont été successivement déposés. Il reste cependant à élargir ces travaux à l’étude du comportement sous irradiation neutronique, représentative des conditions prévalant en service, ainsi qu’en situations hypothétiques accidentelles. Enfin, une étude technico-économique Vue d’ensemble de la microsonde électronique de Castaing qui permet notamment de quantifier à l’échelle micronique la répartition des éléments d’addition et des impuretés au sein des gaines de combustible. poison neutronique + alliage de Zr alliage semi-industriel Zr-1%Nb plus poussée doit être réalisée pour évaluer l’intérêt d’un transfert à une échelle plus industrielle. Du laboratoire à la production industrielle : un travail de longue haleine Les études prospectives visant à évaluer des concepts innovants de gainage du combustible des REL ont donc permis d’identifier plusieurs pistes intéressantes, dont certaines ont conduit à des dépôts de brevets. Des évaluations à une échelle plus industrielle et des études du comportement sous irradiation sont envisagées dans les années futures. Il faut toutefois rappeler que le développement et la qualification de nouveaux matériaux pour l’assemblage combustible des réacteurs nucléaires répondent à de fortes contraintes de sûreté et passent de ce fait par un important retour d’expérience en service. Ce dernier point nécessite en particulier des irradiations en réacteur d’étude ainsi qu’en réacteurs de puissance industriels, puis des examens en laboratoires chauds. Toutes ces étapes induisent des constantes de temps très élevées, typiquement de 10 à 20 ans, pour pouvoir passer de l’échelle du laboratoire jusqu’à la production à un niveau industriel et à la qualification en service.combustible 200 μm b c P.Stroppa/CEA > Jean-Christophe Brachet, Marion Le Flem et Didier Gilbon Département des matériaux pour le nucléaire Direction de l’énergie nucléaire CEA Centre de Saclay POUR EN SAVOIR PLUS « Les combustibles nucléaires », Monographie de la Direction de l’énergie nucléaire du CEA, Éditions du Moniteur (2008). « Science des matériaux pour le nucléaire », CLÉMENT LEMAIGNAN, collection Génie Atomique, EDP Sciences (2004). a Figure 4. En a, schéma de la gaine « Triplex » base zirconium avec introduction d’erbium. En b, les différents constituants de l’ébauche avant l’étape de co-filage à chaud. Enc, micrographie optique et cartographie X de la gaine finale d’environ 600 μm d’épaisseur. La cartographie X (obtenue à la microsonde électronique de Castaing) montre la répartition de l’erbium dans l’épaisseur de la gaine. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 13



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