Les matériaux sont d’une importance cruciale pour l'industrie nucléaire. Leur tenue sous irradiation et sous sollicitations thermique, mécanique et chimique détermine la durée de vie des réacteurs nucléaires existants, et conditionne leur sûreté et leurs performances.

Quarante années de recherches sur les matériaux ont permis au CEA de devenir au plan international l’un des organismes les plus compétents dans le domaine des matériaux nucléaires.

Qualifier les matériaux, comprendre et anticiper leur comportement sous flux de neutrons, constituent des priorités au CEA, à la fois pour garantir la sûreté des installations, définir leur durée de vie, optimiser leurs performances, ou encore déterminer les matériaux des centrales du futur.

Le Département des matériaux pour le nucléaire

Au sein de la Direction de l’énergie nucléaire du cea, le Département des Matériaux pour le Nucléaire a en charge des études matériaux métalliques et céramiques non fissile du CEA.
Il contribue, par des actions de recherches théoriques et expérimentales, au développement des connaissances dans le domaine de la science et du génie des matériaux, afin, en particulier, de développer une science des matériaux permettant de prévoir l'évolution de leurs propriétés en conditions d'usage, irradiation, sollicitations thermomécaniques,...
Le département des matériaux pour le nucléaire caractérise les propriétés des matériaux métalliques et céramiques non fissiles du nucléaire pour déterminer leurs performances, et prévoir leur durée de vie en opération, notamment par modélisation. Ces matériaux peuvent être non irradiés ou irradiés, provenir de programmes de surveillance des installations d'irradiations en réacteurs de puissance ou expérimentaux français (Osiris, Phénix) ou étrangers. Ces matériaux peuvent également provenir d'expériences de simulation par particules chargées, ions et/ ou protons, avec les accélérateurs JANNUS (Jumelage d'Accélérateurs pour les Nano-sciences, le NUcléaire et la Simulation, Joint Accelerators for Nano-science and NUclear Simulation en anglais*) ou par des électrons avec le microscope électronique à très haute tension (CEA - SRMA).
Le département propose des matériaux nouveaux ou améliorés, permettant de satisfaire aux conditions d'emploi futures des réacteurs de Génération IV (GEN IV) et d'augmenter la durée de vie des réacteurs actuels (Réacteurs à Eau Pressurisée) ou la compétitivité des systèmes correspondants.
Le DMN établit les lois et les modèles de comportement des matériaux dans les conditions de service, accidentelles et de longue durée. Il contribue à établir, avec d'autres département, dont le DM2S, les codes de conception correspondants et les dossiers de sûreté utiles aux exploitants et concepteurs. Le département effectue à la demande des exploitants nucléaires français ou étrangers des expertises sur pièces industrielles en retour de service, notamment pour étudier les mécanismes de rupture ou de déformation mis en jeu, ceci afin de proposer des solutions d'amélioration.

Des laboratoires chauds pour caractériser les matériaux irradiés : l’exemple du LECI

Tester, contrôler, expertiser les matériaux irradiés provenant des centrales nucléaires, telles sont les missions des laboratoires chauds. Ils comportent ce que l’on appelle des "cellules chaudes", enceintes conçues pour manipuler les matériaux irradiés en toute sûreté grâce à la protection qu’offrent leurs parois remplies de plomb et leurs hublots de 70 à 80 cm d’épaisseur. Au service des industriels français ou étrangers, le CEA a créé et développé sur son centre de Saclay, un laboratoire d'expertise à vocation de recherche et développement : le LECI

Au LECI, ce sont principalement des matériaux irradiés, hors combustible, qui sont analysés. Un objectif précis : prolonger la durée de vie des cuves et des structures internes du réacteur et limiter les temps d'arrêt de ce dernier, nécessaires à la maintenance notamment. Le LECI reçoit directement des échantillons de structures métalliques en provenance des réacteurs industriels ou de recherche. Les gaines des crayons passent d'abord au Laboratoire Atalante du CEA Marcoule pour être séparées du combustible (dépastillage) avant d'être expédiées au LECI pour examen. Mesures de résistance, analyse de point de rupture, étude de corrosion de la gaine, chaque échantillon est analysé sous toutes les coutures grâce à des machines opérées grâce à des bras télémanipulateurs. Les études portent parfois sur des échantillons de tailles réduites qui imposent parfois des tests miniaturisés (mini-éprouvettes de quelques millimètres de diamètre par exemple).