Présentation
Auteur(s)
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Pierre BARBERIS : AREVA-NP/Centre de Recherches de CEZUS (Ugine)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le zirconium a été découvert en 1789 par Klaproth et obtenu pour la première fois sous forme métallique impure en 1824 par Berzelius. Il a fallu attendre 1925 pour que ce métal soit obtenu en laboratoire sous forme très pure et donc très ductile par Van Arkel et De Boer.
Le hafnium n'a été isolé qu'en 1923 par Coster et De Hevesy. La volonté de construire des sous-marins à propulsion nucléaire a conduit à retenir le zirconium comme seul élément de structure pouvant convenir pour la construction d'un réacteur compact. Ce besoin, à une époque où la métallurgie du zirconium n'existait pas, a initié, d'abord aux États-Unis, puis en France, d'importantes études dont les principaux thèmes furent :
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l'obtention de zirconium ductile ;
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la séparation zirconium-hafnium ;
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la mise au point des fours de fusion ;
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la recherche d'alliages résistant à la corrosion aqueuse ;
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les conditions de transformation ;
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le comportement sous irradiation.
La métallurgie de ces métaux a amorcé son développement industriel vers 1950, aux États-Unis, et vers 1960, en France. En 2005, la capacité mondiale est d'environ 7 000 tonnes d'alliages de zirconium, les principaux producteurs étant les Etats-Unis, la France, la Russie et l'Inde. Avec la renaissance du nucléaire, elle devrait s'accroître dans les prochaines années, avec de nouveaux acteurs.
Les capacités en hafnium sont très limitées et dépendent de celles du zirconium puisque les seules sources de hafnium sont les minerais de zirconium qui n'en contiennent que 2 à 4 %. Ces métaux, développés initialement pour des applications uniquement nucléaires, voient leur champ d'application s'élargir du fait d'une excellente résistance à la corrosion dans de nombreux milieux agressifs.
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- Version courante de févr. 2015 par Pierre BARBERIS
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Texture et anisotropie2. Principaux alliages et applications
2.1 Métaux non alliés
En ce qui concerne les métaux non alliés, on distingue la qualité courante, obtenue par fusion d'éponge Kroll ou de cristaux électrolytiques, et la qualité ultra-pure, obtenue par le procédé Van Arkel.
Pour le zirconium, c'est l'éponge Kroll qui est d'emploi généralisé pour l'obtention de produits en métal non allié et en alliages, alors que pour le hafnium, c'est le métal Van Arkel très pur qui est d'emploi courant.
Par hafnium très pur, on entend un métal contenant très peu d'impuretés (généralement inférieures à 100 parties par millions en masse) comme l'oxygène, le fer, et la plupart des autres éléments, à l'exception du zirconium dont la teneur est toujours de plusieurs % : souvent de l'ordre de 4 %.
D'une façon générale, les alliages sont peu chargés en élément d'addition (< 3 %), puisque beaucoup d'éléments forment avec le zirconium des précipités intermétalliques à température ambiante, qui nuisent à sa transformation à froid.
HAUT DE PAGE2.2 Alliages pour le nucléaire
Plus de 80 % du zirconium est utilisé pour le gainage des combustibles nucléaires dans les réacteurs à eau, en raison de sa grande transparence aux neutrons. Pour ces applications, le hafnium doit être séparé du zirconium en raison de la forte section de capture du hafnium. Les principaux alliages utilisés depuis l'origine sont :
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le Zircaloy 2 qui contient 1,45 % d'étain, 0,13 % de fer, 0,10 % de chrome, 0,05 % de nickel pour les réacteurs à eau bouillante (REB) ;
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le Zircaloy 4 qui contient 1,45 % d'étain, 0,21 % de fer, 0,10 % de chrome pour les réacteurs à eau pressurisée (REP) et à eau bouillante, et certains composants des réacteurs à eau lourde ;
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le Zr-1 %Nb utilisé dans les réacteurs VVER ;
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le Zr-2.5 %Nb, principalement pour la fabrication des tubes de force des réacteurs nucléaires CANDU modérés par l'eau lourde et les réacteurs RBMK.
Ces alliages constituent...
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