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RÉSUMÉ
Le matériau le plus utilisé dans une centrale nucléaire est le béton armé : confinement du réacteur, tours de refroidissement, piscines d’entreposage de combustible usé, radier, bâtiments d’exploitation, puits de cuve et canalisations. Ces structures en béton armé sont non seulement exposées à diverses conditions environnementales, mais également à de nombreuses contraintes thermiques, chimiques, hydriques, radiologiques et mécaniques. Dans ce cadre, il est de première importance d’être capable de comprendre, modéliser, prévoir et surveiller ces installations ainsi que de les maintenir dans les meilleures conditions opérationnelles possibles et le plus longtemps possible. Cet article résume les connaissances disponibles sur ces sujets.
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Reinforced concrete is the most widely used material in nuclear power plants: reactor confinement, cooling towers, spent fuel pools, basement raft, operations buildings, biological shield, and pipes. These reinforced concrete structures are exposed to a variety of environmental conditions, and to thermal, chemical, hydrological, radiological, and mechanical stresses. Therefore, it is crucial to be able to understand, model, forecast, monitor and maintain these structures in the best operational conditions for the longest possible time. This article is a summary of knowledge available on this topic.
Auteur(s)
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Valérie L’HOSTIS : Expert Sénior sur la durabilité des structures en béton - Direction des programmes énergies, Cellule partenariats institutionnels - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergie alternatives (CEA Paris-Saclay), Gif-sur-Yvette, France
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Laurent CHARPIN : Ingénieur Chercheur, Chef de groupe - EDF Lab Chatou, Chatou, France
INTRODUCTION
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.
KEYWORDS
reinforced concrete | ageing management | structural performane | maintenance
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2. Matériaux
Les structures en béton liées à la sûreté nucléaire sont composées de divers composants qui remplissent de multiples fonctions, par exemple : support de charge, protection contre les radiations et étanchéité. Ces structures sont principalement composées de béton, d'armatures en acier conventionnelles, d'acier précontraint et de plaques de revêtement en acier (liners). La qualité de ces matériaux est régie par des réglementations, des tests de qualification et des certifications, et est également surveillé tout au long de la construction. De plus amples informations sur ces matériaux de construction sont fournies dans la littérature et dans les normes NF EN 206.
2.1 Composition et structure du béton
Le béton est un matériau composite constitué d'un liant (pâte de ciment) et d'une charge (granulats) qui se combinent pour former un matériau composite synthétique. Le ciment est un mélange de composés obtenus par broyage de calcaire concassé, d'argile, de sable et de minerai de fer. Ensemble, ils forment une poudre homogène qui est ensuite chauffée à des températures très élevées allant de 1 400 à 1 600 °C pour former un clinker (voir NF EN 206, NF EN 197-1). Une fois le clinker refroidi, il est broyé et mélangé avec une petite quantité de gypse pour réguler la prise et faciliter la mise en place. Cela produit le ciment Portland à usage général, qui est mélangé à de l'eau pour produire une pâte...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - LOUHI (A.) - Intégrité des tours aéroréfrigérantes en béton armé sous sollicitation extrêmes : vent et séisme. - Thèse de doctorat de l'INSA de Lyon, Lyon (2015).
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(3) - LE PAPE (Y.), ALSAID (M.H.), GIORLA (A.B.) - Rock-forming minerals radiation-induced volumetric expansion – Revisiting literature data. - Journal of Advanced Concrete Technology, vol. 16, n° 5 (2018).
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(4) - IAEA - Ageing Management of Concrete Structures in Nuclear Power Plants. - IAEA Nuclear Energy Series n° NP-T-3.5, International Atomic Energy Agency, Vienna (2016).
-
(5) - IAEA - Assessment and Management of Major Nuclear Power Plant Components Important to Safety : Concrete Containment Buildings. - IAEA-TECDOC-1025, International Atomic Energy Agency, Vienna (1998).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Corrosion des armatures dans les bétons – Mécanismes.
NORMES
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Béton – Spécification, performances, production et conformité. - NF EN 206 - 2014
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Ciment – Partie 1 : Composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants. - NF EN 197-1 - 2012
-
Aciers pour béton armé – Aciers soudables – Partie 1 : barres et couronnes. - NF A 35-080 - 2020
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