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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34 Les matériaux pour le nucléaire CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 200 μm Figure 6. À gauche, image par microscopie électronique à balayage en électrons secondaires d’une soudure gaine-bouchon par soudage résistance. À droite, exemple de résultat du couplage électrothermomécanique. ductile fragile qu’il convient d’évaluer. Pour les aciers conventionnels, et notamment les nuances martensitiques, cette température est suffisamment basse, avant et après irradiation, pour ne pas être préoccupante en condition de fonctionnement. Dans le cas des nuances ODS, suivant la gamme de fabrication retenue, la température de transition ductile fragile peut varier très notablement, et ce point est particulièrement critique pour ces matériaux. La qualification des ODS en tant que matériau de gainage nécessite d’effectuer des essais mécaniques spécifiques sur tubes. Ceux-ci sont en cours de développement au CEA. La soudabilité des tubes en ODS Les contraintes liées à la soudabilité bouchon-gaine sont importantes. Le bouchon est une pièce métallique pleine en acier, destinée à assurer l’étanchéité de l’aiguille combustible et à en permettre la préhension. Il convient de qualifier un procédé opératoire qui sera utilisable en boîte à gants – en raison de la manipulation du combustible – et garantira, avant et après irradiation, l’étanchéité de l’aiguille, tout en supportant les sollicitations mécaniques appliquées. Pendant l’opération de soudage, il est, par conséquent, essentiel d’altérer au mini - mum la microstructure initiale du métal de base ODS, en évitant une modification ou une agglomération des « dispersoïdes » nanométriques, une évolution de la microstructure (taille et forme des grains) et une ségrégation des éléments à l’interface. Les techniques de soudage en phase solide sont donc privilégiées. Elles doivent être robustes vis-àvis d’un changement de géométrie ou de matériau (autres nuances ODS). De plus, il faut que les soudures soient facilement contrôlables par des examens non destructifs. Différents procédés de soudage en phase solide ont été évalués sur l’acier ODS PM 2000 élaboré par le groupe Plansee : le soudage par diffusion par compression uniaxiale (SDU), le soudage par Spark Plasma Sintering (SPS), le soudage par friction malaxage (Friction Stir Welding) et le soudage résistance. Ce dernier a été utilisé dans les années 80 par les équipes belges de Dour Metal pour souder les température (°C) 20 140 260 380 500 620 740 860 980 1 100 max=1357 aiguilles des deux assemblages combustibles ODS irradiés dans Phénix, et récemment par JAEA pour souder des aiguilles en alliage Fe-9Cr ODS (base fer avec 9% de chrome), actuellement en cours d’irradiation dans le réacteur à neutrons rapides BOR-60 (Dimitrovgrad, Russie). Le soudage résistance est considéré comme le procédé de référence mais le SDU pourrait être une alternative intéressante, alors que le soudage SPS semble beaucoup plus difficile à mettre en œuvre. La figure 6 présente un exemple de réalisation par soudage résistance dans une configuration gaine-bouchon. Un déploiement progressif La qualification d’un nouveau gainage exige de considérer l’ensemble des étapes de la fabrication et de la vie du matériau, et de s’assurer qu’aucun point n’est rédhibitoire. Par exemple, le comportement du matériau sous irradiation devra être évalué, de même que le comportement du gainage après son passage en réacteur lors du lavage des assemblages et au cours du traitement du combustible. La qualification de ces nouvelles nuances ne pourra être réalisée qu’à moyen terme. Les assemblages combustibles qui seront nécessaires au démarrage et au fonctionnement des premiers cœurs du futur réacteur ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), prototype de la quatrième génération, seront en aciers austénitiques 15-15Ti, avec notamment la nuance la plus évoluée dite AIM. Elle pourra être utilisée pour des doses qu’il reste à définir mais qui permettront de valider de nombreux concepts pour les réacteurs du futur. Le déploiement du gainage en alliages ODS à hautes performances se fera plus tard, de façon progressive, en fonction de l’état d’avancement de la qualification des assemblages. L’objectif est d’introduire, dès que possible, un assemblage avec un gainage ODS dans le prototype ASTRID, dans le premier cœur par exemple. > Yannde Carlan Département des matériaux pour le nucléaire Direction de l’énergie nucléaire CEA Centre de Saclay CEA/DMN
SIMULER EXPÉRIMENTALEMENT Étude du comportement sous irradiation des matériaux nucléaires : apport de la plateforme JANNUS Quelle que soit l’application nucléaire considérée, les phénomènes physicochimiques générés par l’irradiation au sein d’un matériau vont bouleverser son architecture atomique, faire évoluer sa microstructure et sa composition chimique. Ces modifications entraîneront des changements du comportement mécanique, des propriétés physiques, comme la conduction thermique et la densité, et de la tenue à la corrosion. En dépit des avancées de la science des matériaux au cours du dernier demi-siècle, il est impossible de prévoir l’effet d’une irradiation sur le comportement des matériaux en fonction des paramètres de l’irradiation (nature des particules, dureté du spectre, flux, dose...). Par contre, ces progrès permettent d’expliquer le com - portement du matériau à partir des carac - téristiques et des propriétés de sa micro s tructure et de l’évolution de cette dernière sous sollicitation : d’où l’intérêt d’examiner en détail des évolutions de microstructures provoquées par des irradiations parfaitement définies. Couplées à des développements théoriques et à des modélisations numériques à l’échelle ato - mique, ces études tentent de donner une base physique plus sûre aux codes de prévision du comportement des matériaux sous irradiation, afin de tirer un meilleur profit du retour d’expérience. Les faisceaux de particules chargées autorisent de telles approches sur des petits échantillons, dans des conditions d’irradiation totalement maîtrisées. C’est un moyen expérimental léger, souple et performant. Une fois le lien établi entre l’endommagement par irradiation à l’échelle atomique et les modifications de comportement du matériau qui en découlent, il devient possible d’extrapoler ou d’interpoler le résultat en fonction des conditions d’irradiation, en particulier le passage à l’irradiation neutronique, dont l’effet ne peut être connu que grâce à des expériences d’irradiation en réacteur, beaucoup plus lourdes. Chambre d’expériences triple-faisceau de la plateforme JANNUS à Saclay. La ligne de faisceau issue d’Épiméthée est située dans le plan horizontal à l’avant et celle provenant de Japet à l’arrière. La ligne de faisceau d’Yvette est visible dans le plan inférieur au centre. La première expérience d’irradiation en mode triple-faisceau a été conduite avec succès en mars 2010. P.Stroppa/CEA Accélérateur Pelletron tandem Japet. Sa source délivre des faisceaux d’ions d’éléments électronégatifs tels que le chlore ou l’iode, ou encore des faisceaux d’ions métalliques comme le silicium ou l’or. Les chercheurs sont alors en mesure de simuler expérimentalement le compor - tement d’un matériau sous irradiation neutronique, en le bombardant par un ou plusieurs faisceaux d’ions accélérés et en suivant in situ ou ex situ l’évolution de sa microstructure, de sa composition chimique et de ses propriétés thermiques, mécaniques ou électriques. Les accélérateurs de JANNUS La plateforme JANNUS (Jumelage d’accélérateurs pour les nanosciences, le nuclé aire et la simulation) se compose de deux ensembles expérimentaux, dont l’un se situe à Saclay et l’autre à Orsay (Essonne) au Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse, rattaché à la tutelle commune CNRS-IN2P3 et Université Paris-Sud. L’installation de Saclay constitue l’un des outils majeurs du programme Recherche scientifique et technologique de base (RSTB) de la Direction de l’énergie nucléaire du CEA. Elle couple trois accélérateurs électrostatiques de particules : un Pelletron simple étage de 3MV (Épiméthée), un Pelletron tandem de 2MV (Japet) et un Van de Graaff simple étage de 2,5MV (Yvette) autour d’une chambre d’expériences commune. Épiméthée est équipé d’une source d’ions multichargés de type RCE, qui produit des ions dans des états de charge élevés à partir de gaz ou de composés organométalliques volatils. Japet est doté d’une source d’ions à échange de charge avec une vapeur de césium. Cette source délivre des faisceaux P.Stroppa/CEA CLEFS CEA - N°59 - ÉTÉ 2010 35



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