Six décennies de performance du Zr
Matériaux avancés pour les combustibles des réacteurs à eau légère - Matériaux nucléaires évolutifs et révolutionnaires

Depuis le début des années 1960 et au cours des 60 années suivantes, plus de 30 pays ont décidé de tirer parti de la source d’énergie de fission pour produire de l’électricité propre et sûre. À ce jour, plus de 400 réacteurs à eau légère (REL) commerciaux sont exploités dans le monde. Ces réacteurs de puissance peuvent être classés comme réacteurs à eau bouillante (REB) ou réacteurs à eau sous pression ou pressurisée (REP). Le combustible des réacteurs est constitué de pastilles de dioxyde d’uranium empilées à l’intérieur de tubes minces appelés gaines et qui sont en alliage de zirconium (Zr). L’ensemble pastilles-gaine est appelée crayon de combustible. Chaque crayon a généralement un diamètre d’environ 10 mm et une longueur d’environ 3 à 5 m. Chaque cœur de réacteur contient des milliers de crayons assemblés en grappes d’environ 100 à 250 crayons pour chacune d’elles. La gaine joue un double rôle :

(a) Elle protège les pastilles de combustible de l’eau de refroidissement ;

(b) Elle fournit une surface d’évacuation de la chaleur du crayon.

Le concept actuel du crayon combustible en dioxyde d’uranium (UO₂) ou des pastilles d’uranium empilées à l’intérieur d’un gainage en alliage Zr est né à la fin des années 1950, et depuis plus de six décennies il est utilisé de manière fiable par les REL à travers le monde entier. La faible conductivité thermique de l’oxyde d’uranium en tant que combustible a tout d’abord été un frein à son utilisation ; cependant sa faible réactivité avec l’eau en cas de brèche dans la gaine a conduit à son adoption. Le combustible est le seul matériau céramique présent dans les REL actuels. Néanmoins il doit toujours être maintenu au sec. Les alliages Zr comme le Zircaloy-2 et le Zircaloy-4 ont été initialement choisis pour le gainage, principalement en raison de leur faible section d’absorption thermique des neutrons, malgré le coût élevé des alliages Zr dans les années 1950, parce que le procédé Kroll n’était pas industrialisé ...