Vous êtes ici : Accueil > Domaines de recherche > Matériaux pour le nucléaire

Dossier multimédia | Energie nucléaire | Matériaux | Réacteurs nucléaires

Matériaux pour le nucléaire

Les matériaux pour les centrales nucléaires du futur


​Développer les matériaux des réacteurs nucléaires du futur à neutrons rapides est l’autre enjeu des chercheurs du CEA qui bénéficient déjà d’un retour d’expériences. Il s’agit dès lors de concevoir les matériaux qui opéreront en toute sûreté et performance, notamment ceux confinant les combustibles ou ceux en regard du fluide caloporteur sodium. Les aciers ODS apparaissent d’excellents candidats.

Publié le 19 octobre 2017

​Les matériaux au cœur de l'innovation
pour les centrales nucléaires du futur

Les réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (RNR-Na) constituent la filière de référence des réacteurs à neutrons rapides de 4e génération. Dans ce cadre, le CEA est maître d’ouvrage d’un projet de démonstrateur technologique appelé Astrid, actuellement en phase de conception. Or, soulignent Jean-Luc Béchade et Yann de Carlan, respectivement chef de service et responsable d’études sur les aciers hautes performances à la Direction de l'énergie nucléaire du CEA : « la mise en place de cette nouvelle filière, en intégrant les critères de la 4e génération, est un défi pour la science des matériaux ». Fluide caloporteur aux propriétés chimiques différentes (du sodium liquide à la place de l’eau des REP du parc actuel), températures du cœur élevées (400 à 650 °C, contre 325 °C), neutrons plus énergétiques. Dans les futurs réacteurs, les matériaux seront soumis à des sollicitations plus sévères que celles auxquelles ils sont confrontés dans les installations actuelles. À tel point que, le plus souvent, de nouveaux matériaux doivent être utilisés ! Ceci motive les recherches « amont » conduites par les équipes du CEA en vue d’identifier de nouveaux métaux et céramiques, ainsi que les travaux menés dans le but de les qualifier sur des plateformes expérimentales dédiées à cette intention.

De nouveaux alliages encore plus résistants

1 : Oxyde Dispersion Strengthened
2 : La déformation à haute température est plus faible et la recombinaison des défauts d’irradiation plus importante
3 : Ligne conçue et financée en partie par le CEA
4 : Le passage des matériaux à l’état liquide, lors du soudage, « effaceraient » leur nanostructure
5 : Ces techniques, développées et mises en oeuvre au DM2S, permettent de souder ces aciers à l’état solide.

Dans les REP, les gaines renfermant les pastilles de combustible sont faites en alliage de zirconium. Dans les premiers assemblages du cœur d'Astrid, elles seront en acier austénitique. Sauf que, expliquent Jean-Luc Bechade et Yann de Carlan : « les neutrons rapides produits par les RNR-Na peuvent créer des cavités dans ces alliages, lesquels finissent par “gonfler”, c’est-à-dire augmenter en volume ». Résultat : les gaines en acier austénitique d’Astrid devront être changées tous les « 100/120 dpa » alors que le  combustible à l’intérieur de ces gaines ne sera pas complètement épuisé. Partant de ce constat, les chercheurs se sont lancés en 2007 dans le développement de la filière d’un nouveau matériau capable de mieux résister aux effets cumulés de l’irradiation et de la forte température : celle des aciers ODS1. Conçue dans les années 1960, cette famille d’alliage base fer, carbone, chrome et autres éléments minoritaires, supporte mieux ce type de sollicitations grâce aux nanoparticules d’oxyde d’yttrium qui y sont dispersées. Aujourd'hui, il s'agit non seulement d’identifier la nuance de référence pour les études mais aussi d’évaluer certaines de ses caractéristiques sur l’installation JANNuS. Une étape indispensable avant de pouvoir passer à la phase suivante : la mise au point d’un procédé de fabrication transférable à un industriel et la qualification du matériau sous irradiation par des neutrons. Alors les aciers ODS pourront prendre la relève des aciers austénitiques.


Aciers ODS : fabriqués, assemblés et testés au CEA

Filage à chaud de gaines en acier ODS sur la chaîne de fabrication du CEA-DEN à Saclay
Filage à chaud de gaines en acier ODS sur la chaîne de fabrication du CEA-DEN à Saclay.
© P.Stroppa/CEA

Études de corrosion de matériaux en milieu sodium sur la plateforme CORRONa2 du CEA-DEN à Saclay 
Études de corrosion de matériaux en milieu sodium sur la plateforme CORRONa2 du CEA-DEN à Saclay. © P.F. Grosjean/CEA

Pour atteindre les objectifs assignés, le CEA s’est équipé d’une chaîne de fabrication de ces aciers ODS, en tout point semblable à celle que l’on trouverait dans une vraie installation de « métallurgie des poudres ». Mécanosynthèse par broyage des poudres dans un attriteur, consolidation à 1 100 °C par « extrusion à chaud » ou par « compaction isostatique », forage des tubes et transformation à chaud et à froid, permettent à ces chercheurs de produire, chaque année, une dizaine de ces gaines. Des gaines à qui on demandera d’être 1,5 fois plus résistantes à l’irradiation par les neutrons rapides que celles en acier austénitique ! La microstructure de ces nouveaux matériaux étant spécifique2, des outils d’analyse de très haute technologie doivent être utilisés pour les caractériser. Ainsi le CEA a contribué au développement de la ligne de lumière MARS3 du Synchrotron Soleil pour des caractérisations fines avant mais surtout après irradiation. Il s’agit de vérifier que les nano-oxydes restent stables après passage en réacteur et qu’ils permettent toujours, même sous fort flux de neutrons, de renforcer le matériau. Les expériences en cours sont d’ailleurs très concluantes. Enfin, comme ces matériaux ne peuvent être soudés par des moyens classiques4, de nouvelles techniques d’assemblage par soudage résistance ou par soudage friction ont été développées par les chercheurs5.

La corrosion des matériaux nucléaires
à l’étude

Au-delà des contraintes d’irradiations et de fortes températures, les matériaux des RNR-Na devront aussi résister à la corrosion. Certes, au regard de l’eau utilisée de nos jours comme fluide caloporteur des REP, le sodium liquide s’avère un fluide moins agressif. « À ceci près qu’en pratique, il contient toujours des impuretés, du carbone ou de l’oxygène dissous qui peuvent, suite à des phénomènes d’oxydation et de carburation, dégrader les surfaces des équipements du cœur et au bout du compte avoir une incidence sur la durée de fonctionnement de l’installation », expliquent Fabrice Legendre et Raphael Robin, respectivement, chef de service et chef de laboratoire à la Direction de l'énergie nucléaire du CEA. Les scientifiques voudraient qualifier les matériaux face à ce risque, déterminer les produits issus de leur corrosion afin de dimensionner au mieux les « pièges à froid » qui seront chargés dans les futurs réacteurs de purifier le sodium liquide. Deux plateformes de R&D ont été construites dans ce but à Saclay, les boucles « CORRONa », constituées de séries de boîtes à gants, maintenues sous une atmosphère inerte d’argon, couplées à des « pots » contenant plusieurs litres de sodium liquide chauffés jusqu’à 650 °C. En exposant, durant quelques milliers d’heures, des échantillons dans ce fluide chaud et en les caractérisant finement avec des outils optiques adaptés, l’équipe réalise toutes sortes d’expériences statiques, hydrodynamiques ou tribologiques. Utilisés dans des modèles ou pour les affiner, ces résultats permettent de prédire le « vieillissement » de ces alliages par la corrosion sur plusieurs dizaines d’années et d'asseoir le dimensionnement des composants en conséquence. Une dizaine de nuances de métaux, soit des centaines d’échantillons, a ainsi été déjà testée. Un matériau, l’acier 316 LN, est d’ailleurs retenu comme « matériau de référence » pour les cuves et internes des futurs réacteurs à caloporteur sodium de la 4e génération.