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Matériaux pour le nucléaire

Parc de réacteurs nucléaires actuel : le vieillissement des matériaux sous surveillance


​S’assurer du bon vieillissement des matériaux composant les parties inamovibles des réacteurs et améliorer la sûreté et la performance des autres, comme les gaines de combustible : tel est l’objectif des recherches du CEA dans le domaine des centrales de seconde génération qui composent le parc actuel d’EDF.

Publié le 19 octobre 2017

​Quels sont les matériaux
du réacteur nucléaire concernés ?

« Le coeur d’une installation nucléaire est un ensemble hétérogène d’équipements dont chacun constitue un sujet d’études pour les spécialistes des matériaux » rappelle Benoît Tanguy, chef de projet au Département des matériaux pour le nucléaire de la Direction de l'énergie nucléaire du CEA. On y trouve, d’abord, les gaines, ces longs tubes fermés en leurs extrémités où sont insérées les pastilles de combustible. « Elles sont faites en alliage de zirconium ». Puis viennent les « structures internes », ces pièces métalliques, cloisons, renforts et autres vis qui servent à les maintenir. « Ceux-là sont en acier inoxydable austénitique ». Enfin, il y a la cuve du réacteur, de 330 à 450 tonnes selon le palier : « elle est élaborée dans un acier ferritique faiblement allié mais est protégée de la corrosion sur sa face interne par un revêtement en acier inoxydable austénitique ». De ces trois constituants du cœur, seuls les assemblages combustibles sont régulièrement changés par EDF, lorsque le combustible usé est retiré pour être remplacé par du neuf. Structures internes et cuve, installées dès la construction du bâtiment sont elles, excepté le cas de quelques vis, conçues pour rester à demeure. Certaines sont en place dans les premiers REP 900 MWe depuis 37 ans !

Accélérer le vieillissement
des matériaux pour mieux les modéliser

Ces composants inamovibles, structures internes et cuve, sont-ils en état de supporter une éventuelle prolongation de la durée d’exploitation des centrales ? L’une des missions du Département des matériaux pour le nucléaire du CEA est d’apporter les éléments scientifiques permettant de répondre à cette question. Tous les dix ans, chaque réacteur fait l’objet d'un dépôt de dossier auprès de l’ASN pour justifier qu’il pourra fonctionner la décennie suivante. « Le CEA intervient alors pour donner aux exploitants les éléments techniques nécessaires concernant la cuve et les internes ». Le principe est d’acquérir des données matériaux sur le vieillissement de ces pièces, par exemple par des irradiations expérimentales permettant d’évaluer leurs propriétés au bout de cinquante ans.

À la demande d’EDF, les équipes ont commencé à rassembler des données pour l’échéance suivante : celle des soixante ans ! Il s’agit ensuite de vérifier que les propriétés des matériaux des cuves n’évoluent pas au point de remettre en cause l’intégrité de ces dernières en cas d’accident. « Nous devons produire des modèles décrivant comment les propriétés des aciers irradiés vont évoluer au cours de ces 60 ans » Comment ? Par l’expérience ! Afin de reproduire les sollicitations que le matériau subit à l’intérieur d’un coeur, les chercheurs le vieillissent de manière accélérée en le soumettant, dans des réacteurs expérimentaux, à un flux de neutrons supérieur à celui qu’il subit en réalité. Puis, au sein du LECI, ils caractérisent les propriétés mécaniques et les microstructures de ces échantillons. « À cela s’ajoute toute une batterie de tests conduits sur des métaux non-irradiés par des neutrons. Ils peuvent être réalisés sur l’installation JANNuS, du DMN ou en collaboration avec des collègues d’autres départements de la Direction de l'énergie nucléaire du CEA (Département de physico-chimie et Département de modélisation des systèmes et structures). Le but étant de résoudre un problème particulier comme la tenue mécanique des aciers ou leur résistance à la corrosion. »

Essai de rupture de gaine
Essai de rupture de gaine par corrosion sous contrainte induite par l’iode (en haut) et essai d'éclatement, réalisés dans les cellules chaudes du LECI. © P.F. Grosjean/CEA

 
Analyses métallographiques de matériaux irradiés en ligne Isidore du LECI
Analyses métallographiques de matériaux irradiés en ligne Isidore du LECI. © P.F. Grosjean/CEA

 
Opération de tressage sur mandrin
Opération de tressage sur mandrin pour la fabrication d'une gaine en matériau composite.
© P.Stroppa/CEA


Anticiper l’usure normale des matériaux

Au-delà de sa contribution aux dossiers réglementaires des exploitants de centrales, le Département des matériaux pour le nucléaire du CEA mène d’autres études. Il peut s’agir de vérifier que le vieillissement d’échantillons dans des réacteurs expérimentaux est représentatif de ce qui se passera à long terme en réacteur REP. Ou, plus prosaïquement, de fournir des données qui faciliteront le remplacement des vis des internes qui peuvent céder sous la combinaison des sollicitations mécaniques, corrosion et fragilisation par les neutrons. D’où des campagnes périodiques lancées par EDF pour en remplacer certaines ; et d’autres recherches pour mieux comprendre le phénomène et anticiper le moment de leur rupture. Enfin, le Département des matériaux pour le nucléaire du CEA s’intéresse également à la problématique du gonflement. « Il nous faut regarder si des irradiations pendant plus de 40 ans entraînent un gonflement des internes de REP, comme cela se produit dans les réacteurs à neutrons rapides (RNR), et trouver, le cas échéant, le moyen de limiter ce phénomène. »

Étudier le comportement des matériaux
en cas d’accident

Quant aux recherches sur les gaines, elles visent l’amélioration des performances et de la manoeuvrabilité des réacteurs. Elles portent également sur leur comportement en cas d’accident pour des raisons évidentes de sûreté. « L’un des objectifs est de trouver des solutions pour limiter les dégâts occasionnés au réacteur par la perte du réfrigérant suite à la formation d’une brèche dans le circuit primaire », explique Jean-Christophe Brachet, expert international au CEA, en illustrant par l’accident nucléaire de Fukushima Daï​chi lors duquel les gaines n’ont pas résisté à l’élévation en quelques minutes de la température du coeur jusqu’à 1 000 °C. « Les gaines voient leur pression interne augmenter brusquement. Elles peuvent alors éclater puis, si les systèmes de refroidissement sont inopérants (ce qui fut malheureusement le cas à Fukushima), se fragmenter en formant avec le combustible qu’elles renferment un magma radioactif très difficile à refroidir : le corium. Par ailleurs, l’alliage en zirconium dont elles sont faites s’oxyde, libérant de l’hydrogène qui favorise le risque d’explosion. D’où l’idée de faire en sorte que les gaines puissent maintenir leur intégrité durant quelques heures à quelques dizaines d’heures supplémentaires et, pour cela, qu’elles s’oxydent le moins vite possible », détaille l’expert. Deux types de solutions ayant conduit à des dépôts de brevet font ainsi l’objet d’un examen de la part du CEA. La première consiste à déposer, sur les gaines actuelles en alliage de zirconium, un revêtement à base de chrome à même de diviser par dix à vingt leur vitesse d’oxydation dans un tel environnement. La seconde, davantage en rupture technologique et donc à une échéance à plus long terme, vise à fabriquer de nouvelles gaines en ayant recours à un matériau conçu à l’origine pour les réacteurs de la quatrième génération : un matériau composite, à base de fibres de carbure de silicium tressées, présentant une couche intercalaire métallique pour assurer l’étanchéité.