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Matériaux pour le nucléaire

Les matériaux à l’épreuve du nucléaire


​Les matériaux ? Ils jouent un rôle essentiel dans le domaine du nucléaire. D’eux dépendent, en effet, la sûreté des centrales, leur durée de fonctionnement et même leurs performances ! À Saclay, les chercheurs de la Direction de l’énergie nucléaire du CEA étudient, développent et qualifient une grande diversité de matériaux (alliages métalliques, matériaux composites, oxydes…) utilisés dans les réacteurs actuels et futurs, grâce à des équipements uniques au monde.

Publié le 19 octobre 2017

​Spécificités des matériaux pour le nucléaire

Gaines enfermant le combustible, structures internes les maintenant en place et cuve du réacteur n’ont aucun secret pour les équipes de la Direction de l'énergie nucléaire du CEA dont la tâche va bien au-delà d’un classique travail de développement industriel. En effet, explique Pascal Yvon, Directeur des activités nucléaires de Saclay au CEA : « un cœur de réacteur n’est pas une installation comme les autres. En son sein, les pièces ne subissent pas seulement des sollicitations mécaniques, thermiques et chimiques comme dans une unité industrielle conventionnelle ; elles sont également irradiées par les neutrons qu’émet le combustible lors de la réaction de fission. Et ces neutrons agissent sur les matériaux en modifiant leur composition et leur structure interne. Ils sont ainsi susceptibles de conduire à des déformations des composants du cœur ou de les rendre moins résistants aux chocs et à la corrosion. En tous les cas, ils peuvent profondément changer leurs propriétés ! »

Prévoir le comportement des alliages

L’objectif ambitieux du CEA est ainsi d’élaborer une science à même de prévoir le comportement des alliages métalliques soumis à un tel environnement. Et cela, sur des durées pouvant aller jusqu’à plusieurs dizaines d’années concernant les aciers des cuves (un composant impossible à remplacer une fois installé). Mener à bien ce projet dont dépendent la sûreté et l’exploitation des centrales nécessite de procéder par étapes. Cela suppose, dans un premier temps, d’acquérir une bonne connaissance des caractéristiques des matériaux employés en termes de microstructure, de résistance, de ductilité et de corrosion. Il s’agit ensuite d’identifier les modifications qu’induisent les neutrons sur ces aciers, alliages de zirconium et autres composites, grâce à des tests réalisés sur de grands outils expérimentaux qui simulent leur vieillissement sous irradiation. En effet, les neutrons changent la composition chimique (transmutation ou création d’hélium et d’hydrogène par réactions nucléaires) ou, par « effet balistique », éjectent certains atomes de leurs emplacements, créant un brassage important d’atomes. Enfin, il faut également pouvoir modéliser l’ensemble de ces phénomènes, de l’échelle atomique jusqu’à l’évaluation de leurs effets sur une installation.


Au cœur des réacteurs actuels…

Deux missions orientent l’action du CEA en la matière. La première se manifeste par un soutien au parc de réacteurs actuels à la demande d’industriels, par exemple dans le cadre de l’élaboration des dossiers réglementaires qu’EDF doit constituer auprès de l’ASN (Autorité de sûreté nucléaire) tous les dix ans pour prolonger la durée de fonctionnement des centrales. Il peut s’agir de réaliser des études sur le vieillissement des aciers des cuves en partie courante ou sur des endroits particuliers (soudures, zones affectées thermiquement…) ; ou de rassembler des données afin d’aboutir à une meilleure planification de certaines opérations de maintenance particulièrement lourdes à mettre en œuvre, comme le changement à intervalles réguliers des vis de cloisonnement du cœur. « Autre exemple, en ce qui concerne les gaines de combustible, première barrière de confinement d’un réacteur, l’objectif est d’augmenter leur durée d’utilisation en fonctionnement normal et d’améliorer leur sûreté dans l’éventualité d’une situation accidentelle, notamment en cas de perte de réfrigérant faisant suite à une rupture du circuit primaire du réacteur », explique Pascal Yvon.

Éprouvettes servant à l'évaluation du comportement mécanique d'un tube en acier
Éprouvettes servant à l'évaluation du comportement mécanique d'un tube en acier. © P.Stroppa/CEA

Portion d'assemblage combustible
Portion d'assemblage combustible. © P.Stroppa/CEA


1 : Mise en service en 2009 au DMN sur le centre de Saclay et au Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie
de masse UMR (CEA/CNRS/Université Paris-Sud).
2 : En service depuis 1959 sur le centre de Saclay.
3 : Les gaines des crayons passent d’abord au Laboratoire Atalante du CEA à Marcoule pour être séparées du combustible.
4 : Conçues par le CEA en 2011 puis 2013.

Laboratoire chaudManipulation en téléopération dans les cellules chaudes du LECI.
© P.F. Grosjean/CEA

…Et de ceux de demain

Tournée vers l’avenir, la seconde mission du CEA est de mener les recherches sur les systèmes nucléaires de 4e génération. Ses efforts se concentrent sur la filière refroidie au sodium (RNR-Na), tout en poursuivant veille et R&D sur l'ensemble des autres technologies intéressant cette 4e génération. Or, les conditions régnant dans le cœur de ce type d’installations sont très différentes de celles des réacteurs à eau sous pression (REP) du parc actuel. Plus fortes températures, fluides de refroidissement aux propriétés chimiques distinctes, neutrons de différentes énergies. C’est, au bout du compte, à diverses problématiques que sont confrontés les scientifiques du DMN (département des matériaux pour le nucléaire) et du DPC (Département de physico-chimie), lesquels bénéficient de l’expérience acquise sur les RNR ayant déjà fonctionné dans le monde (près de 400 « années/réacteur », dont 100 en opérations industrielles). Les équipes travaillent, d’une part, à évaluer plus précisément la tenue et le vieillissement des matériaux de structure. Et ce, dans l’objectif de pouvoir justifier une durée de fonctionnement de 60 ans pour ces installations futures. D’autre part, elles s’efforcent de mettre au point de nouvelles gaines de combustible adaptées, en attendant de les tester sur le projet de démonstrateur technologique de RNR-Na Astrid, actuellement en phase d’étude et dont le CEA est maître d’ouvrage. Pour répondre à ces enjeux, il s’agit de qualifier les matériaux sur des plateformes expérimentales instrumentées dédiées et de développer une modélisation prédictive de leur comportement. Un travail de longue haleine mais une condition sine qua non de la réussite dans ces missions.

Plateformes expérimentales

Des plateformes expérimentales
et des laboratoires chauds uniques
au monde

Le CEA dispose d’un ensemble d’installations de recherche constamment renouvelées pour les maintenir au meilleur niveau expérimental. En ce qui concerne les matériaux, les compétences et les installations sont regroupées dans le centre d’excellence MINOS (Materials Innovation for Nuclear Optimized Systems).

Dans le domaine de l’étude du comportement des matériaux, la plateforme JANNuS1 permet d’irradier des matériaux par des flux de particules chargées produites par ses accélérateurs. Le dommage balistique et la création d’hélium et d’hydrogène y sont ainsi reproduits simultanément. De même, le laboratoire chaud LECI2 reçoit directement des échantillons de structures métalliques irradiées3 en provenance des réacteurs industriels ou de recherche pour les tester et les expertiser. Et ce, grâce à des cellules chaudes dont les dernières ont été mises en service en 2005.

Dans le cadre des études sur les réacteurs de 4e génération, particulièrement le projet de démonstrateur technologique Astrid, deux installations dédiées, CORRONa et CORRONa 2 4 permettent de réaliser des essais d’exposition de matériaux à du sodium liquide, aux températures, vitesses de fluide et chimie du sodium représentatives et strictement contrôlées.