Durabilité des bétons des centrales nucléaires françaises

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Ce matériau est associé à des renforts passifs (les armatures ou ferraillages) et parfois des renforts actifs (les câbles de précontrainte). Le matériau composite ainsi formé permet de construire des structures résistantes et de formes complexes, ce qui en fait un matériau de choix pour la construction.

Ce matériau est largement utilisé dans l'industrie nucléaire, que ce soit dans les centrales nucléaires ou en aval du cycle du combustible pour l’entreposage ou le stockage des déchets nucléaires.

Les composants élémentaires indispensables du béton sont de l’eau, du ciment, et des granulats de différentes tailles (sable, cailloux). Les granulats utilisés sont généralement locaux, en raison des coûts de transport. Ainsi, il n’y a pas d’homogénéité des formulations ni dans le temps ni dans l’espace. Chaque béton est différent.

De plus, chaque structure en béton est exposée à des conditions environnementales différentes, selon qu’elle se trouve dans une région plus ou moins chaude, plus ou moins humide, en bord de mer, soumise au gel et aux sels de déverglaçage, et au contact avec différents types de sols.

L’évaluation de la durée de vie des structures en béton est donc une tâche difficile, qui nécessite d’avoir une vision d’ensemble des pathologies et phénomènes physiques pouvant affecter les bétons, et des chargements (mécaniques et environnementaux) qui s’imposent à une structure donnée.

Enfin, en ce qui concerne le contexte du nucléaire, certaines des structures en béton qui composent une centrale nucléaire ont un rôle important pour la sûreté. Une défaillance de ces structures aurait, outre l’impact économique engendré par une indisponibilité de la centrale, des conséquences sur le risque de rejets radioactifs dans l’environnement, en cas d’accident. C’est le cas par exemple des enceintes de confinement.

En conséquence, les opérateurs nucléaires étudient les pathologies qui affectent les bétons de leurs ouvrages, afin d’être capables d’évaluer la durée de vie résiduelle des structures, et les opérations de maintenance appropriées pour étendre la durée de vie.

Cet article présente tout d’abord les structures en béton pour lesquelles des problématiques de durabilité ont été identifiées et étudiées, telles que les enceintes de confinement, les tours aéroréfrigérantes, les piscines d’entreposage de combustible, les canalisations en béton armé, les ouvrages de prise d’eau, et les puits de cuve. Pour chacune de ces structures, les mécanismes de vieillissement pertinents sont exposés rapidement.

Dans un deuxième temps, le matériau béton est présenté plus en détail : les principales caractéristiques de ses constituants, notamment du ciment, sont exposées, ainsi que le principe de la réaction d’hydratation qui permet au béton de durcir lorsque le ciment est mis en présence d’eau. Les matériaux métalliques fréquemment utilisés en association avec le béton tels que les ferraillages, les câbles de précontrainte, et les liners métalliques, sont également décrits.

Ensuite, les principaux phénomènes de vieillissement qui ont un impact sur les structures en béton et qui sont susceptibles de limiter leur durée de vie opérationnelle dans une centrale nucléaire sont présentés. La corrosion par carbonatation et par les chlorures, puis les déformations différées, et enfin la lixiviation et les réactions endogènes sont décrites en détail.

Enfin, la méthodologie mise en œuvre pour gérer les problèmes concrets de vieillissement dans les centrales nucléaires est expliquée. Deux cas de figures sont distingués : le cas général (d’ailleurs non limité aux structures du génie civil), les structures exceptionnelles pour lesquelles il peut être pertinent de mettre en place une démarche de jumeau numérique pour gagner en efficacité sur leur suivi.