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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26 Les matériaux pour le nucléaire Des composites SiC/SiC pour les gaines de combustible des RNR-G Grâce à leur bon comportement à haute température et sous irradiation, les composites SiC/SiC sont envisagés pour réaliser le gainage du combustible des futurs réacteurs à neutrons rapides refroidis au gaz. La mise au point des gaines SiC/SiC constitue un véritable défi, qui nécessite de progresser sur des thématiques matériaux très variées, comportant à la fois des aspects technologiques et scientifiques. Préparation d’une densification par traitement CVI d’une architecture tubulaire de fibres SiC obtenue par enroulement filamentaire. En bas à droite, gros plan sur le tube qui est prêt à être introduit dans le four. CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 L e cahier des charges auquel doivent satisfaire les gaines de combustible des réacteurs à neutrons rapides à caloporteur gaz de quatrième génération (RNR-G ; GFR en anglais pour Gas Fast Reactor) représente un défi pour la science des matériaux. En effet, des contraintes extrêmement sévères de divers types sont cumulées : fonctionnement à 900 °C, sous flux neutronique intense, pendant plusieurs années, avec de bonnes propriétés mécaniques et thermiques ; étanchéité jusqu’à 1 600 °C sous surpression interne ou externe de 70 bars et maintien de la géométrie de l’élément combustible jusqu’à 2 000 °C pour assurer son refroidissement. De nombreux candidats potentiels tels que les métaux ou alliages réfractaires ainsi que les céramiques monolithiques ont été éliminés. Seuls subsistent les composites SiC/SiC constitués de fibres de carbure de silicium haute performance et d’une matrice de même nature. Cependant, les matériaux industriels existants ont plutôt été développés pour l’aéronautique et nécessitent de nombreuses optimisations pour l’application visée. Il convient d’adapter les architectures de renfort à la géométrie de l’élément combustible de type aiguille. Il est indispensable de maîtriser les précisions géométriques et les états de surface, et d’assurer l’étanchéité. L’interphase (1) fibre-matrice doit autoriser un allongement à rupture suffisant. Depuis trois ans, des études sont menées conjointement entre des laboratoires des différentes directions du CEA et également le Laboratoire des composites thermostructuraux (LCTS) pour progresser dans ce domaine. Mettre au point des architectures de renfort La matière organisée en fibres ou filaments peut posséder des propriétés mécaniques exceptionnelles, liées à des microstructures particulières (orientation, texture, taux de défauts très faibles) développées lors de leur synthèse. Ces fibres sont en général obtenues sous forme de fils continus – bobines de plusieurs (1) Interphase : matériau interposé à l’interface de deux phases d’un milieu. CEA/DEN/DMN
Machine de tressage permettant la réalisation de tresses tridirectionnelles. centaines ou milliers de filaments – susceptibles d’être employés directement ou de subir différentes opérations préalables, comme l’assemblage en rubans, le craquage (2), le guipage (3) et la découpe, pour réaliser le renfort des matériaux composites. Les structures de renfort possibles sont, le plus souvent, issues des techniques textiles classiques : tresses, tissus, tricots, feutres, structures aiguilletées ou bobinées. La détermination de la structure idéale pour une application visée est parfois très complexe. Elle repose non seulement sur les propriétés mécaniques et thermiques recherchées, mais doit aussi prendre en compte les contraintes définies par les techniques textiles telles que les géométries accessibles, la capacité des fils à être mis en forme, ainsi que l’aptitude de la structure à être densifiée. Pour les gaines de type aiguille, la technique de tressage semble bien adaptée pour réaliser des formes tubulaires de faible diamètre, toutefois ce n’est pas la seule. L’enroulement filamentaire est une autre technique particulièrement aisée de mise en œuvre qui est en ce moment en cours d’évaluation. Le tressage présente l’avantage supplémentaire de pouvoir être associé à des solutions simples de fermeture de l’élément combustible, mais à l’heure actuelle, celles-ci n’ont pas encore été qualifiées. Les paramètres de tressage sont l’angle de tressage compris entre 20° et 60°, le mode de tressage (figure 1) et le nombre de couches. Les études, menées depuis 2007, ont porté sur plusieurs points : • la maîtrise de la géométrie, en contrôlant le diamètre interne par l’utilisation d’un mandrin en graphite lors du tressage, et le diamètre externe par l’ajout d’une couche sacrificielle, usinée après densification ; • l’obtention d’un état de surface lisse et d’une étanchéité, par l’intégration d’une couche dense et/ou d’un liner (4) métallique au cours du tressage ; • la mise au point d’une solution de fermeture des tresses ; (2) Craquage : rupture par étirage. (3) Guipage : action d’enrouler un fil textile autour d’un brin torsadé. (4) Liner : revêtement ou chemise interne, de faible épaisseur, permettant d’assurer l’étanchéité. Spiraltex CEA Figure 1. À gauche, une tresse biaxiale. Les fils s’entrecroisent en suivant les deux directions de + et - (l’angle de tressage) par rapport à l’axe du tube. À droite, une tresse triaxiale. Une série de fils supplémentaire est insérée suivant l’axe du tube.• la comparaison du comportement en densification des différents tressages. Des caractérisations et des modélisations mécaniques et thermiques, en température, seront nécessaires pour décider des architectures les plus performantes. Réaliser une interphase et la matrice Outre une bonne résistance sous flux de neutrons rapides, le matériau de gainage pour un RNR-G doit offrir des garanties en termes de tolérance à la déformation. Dans le cas des composites SiC/SiC, cela n’est possible que grâce à l’interposition d’un matériau d’interphase entre la fibre et la matrice, dont la fonction est de dévier les fissures engendrées dans cette dernière. Toutes les recherches conduites depuis de nombreuses années à travers le monde ont montré que le matériau de référence dans ce domaine est le pyrocarbone. Il en existe en fait beaucoup de nuances. Ce matériau lamellaire texturé présente une forte variation de ses propriétés suivant la direction de sollicitation (anisotropie). Ses caractéristiques en font un excellent « déviateur » de fissures, ce qui autorise, lors de sollicitations mécaniques, une multifissuration matricielle sans propagation au renfort fibreux (figure 2). Doté par ailleurs d’une compatibilité chimique avec le SiC jusqu’aux hautes températures, le pyrocarbone constitue l’interphase idéale dans les composites SiC/SiC et ce, quelle que soit l’application envisagée, même pour les atmosphères oxydantes. Il a été établi que, pour conserver une tenue mécanique sous flux neutronique rapide, et ce jusqu’à une forte dose, il faut limiter l’épaisseur de l’interphase à 150 nm maximum. Cependant, en plus de ce critère, la composition chimique de la surface des fibres et leur rugosité jouent un rôle primordial sur le couplage fibre-matrice au sein des composites SiC/SiC. C’est interphase en pyrocarbone fissure matricielle matrice fibre 1 μm Figure 2. Déviation d’une fissure matricielle au niveau de l’interphase en pyrocarbone au sein d’un composite SiC/SiC. La déviation a d’abord lieu à l’interface interphase-matrice puis à l’interface fibre-interphase. CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 27



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