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Auteur(s)
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Jean-Paul MARDON : Expert international du groupe AREVA
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Les principes de fonctionnement et de conception des réacteurs de type REP imposent au combustible des contraintes concernant la nature des matériaux utilisés et leur géométrie. Les matériaux sont sélectionnés pour permettre au combustible de respecter les critères de conception et de sûreté.
Deux grandes classes de matériaux interviennent dans la fabrication des éléments combustibles : les céramiques et les alliages métalliques. Ces matériaux étant soumis à des conditions de fonctionnement très sévères, leur justification, dans les conditions de service actuelles et à venir exige :
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une connaissance approfondie des phénomènes qui se développent dans ces matériaux sous irradiation ;
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une analyse des conséquences sur les performances ;
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une mise en place de contrôles de fabrication exhaustifs et rigoureux.
Les composants subissent des sollicitations thermiques, mécaniques et chimiques, et leurs propriétés peuvent être modifiées par le bombardement neutronique (voir [BN 3 760]). De plus, les phénomènes qui gouvernent le comportement des matériaux peuvent limiter ces performances. En effet, les matériaux utilisés pour les composants des assemblages combustibles des REP ont été sélectionnés suivant les critères généraux inhérents à la production d'énergie nucléaire et, plus particulièrement, les matériaux métalliques doivent avoir certaines caractéristiques, développées plus loin.
Les fonctions majeures du tube de gainage, qui constitue la première barrière, sont multiples. De ce fait, ce composant doit répondre à des critères d'exigence spécifiques.
À base d'alliages Zirconium, classés en quatre grandes familles, nous aurons l'occasion de mieux les connaître, au fil de la lecture de ce dossier consacré aux matériaux réservés aux réacteurs de puissance à eau pressurisée (REP).
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Alliages de la famille Zr-Nb
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3. Alliages de la famille des Zircaloys
Le détail de la composition chimique des principaux alliages commerciaux et des nuances étudiées (avant d'être abandonnées (en italique)) de la famille « Zircaloys » (voir encadré 2) est donné respectivement dans le tableau ci-contre pour les principaux éléments d'alliages, et dans le tableau ci-contre pour les impuretés inévitables.
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L'étain et l'oxygène, aux teneurs envisagées dans ces alliages, sont entièrement solubles dans la phase-α du Zirconium. Alors que le Fer et le Chrome, qui ont une limite de solubilité nettement plus faible, respectivement de – 25 et 75 ppm [3], forment avec le Zirconium des phases intermétalliques de structure hexagonale, dites « phases de Laves » de type Zr(Fe,Cr)2 qui précipitent dans la matrice. Ces phases doivent être uniformément réparties au sein des grains, et non localisées aux joints de grains, pour garantir de bonnes propriétés d'usage.
Historiquement (tableau ci-contre), au milieu des années 1940-1950, fut développé un alliage ne contenant que de l'étain le Zircaloy-1, dont les piètres propriétés en corrosion ont conduit les chercheurs de l'époque à ajouter des éléments d'addition, comme le fer (Zircaloy-3A,C), pour aboutir in-fine, au milieu des années 1950, au Zircaloy-4 haut étain (Sn ≥ 1, 5 %), la première variante de cette famille à l'échelle industrielle.
Le Zircaloy-4 haut-étain ayant atteint ses limites en corrosion, et sous la pression des exploitants et de celle de l'accroissement des épuisements de décharge (33 → 50 GWj/tU), les fabricants/concepteurs ont proposé, début des années 1980, une variante, améliorant la tenue à la corrosion uniforme, le Zircaloy-4 bas étain (Sn ≥ 1,30 %). Cette première étape de baisse de la teneur en étain a permis de repousser les limites en corrosion, sans pour autant éviter l'emballement de la cinétique d'oxydation (figure 1) et une prise d'hydrogène conséquente pour les épuisements les plus élevés.
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Alliages de la famille des Zircaloys
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - SENEVAT (J.) et al - Establishing statistical models of manufacturing parameters : Zircaloy-4 cladding tube properties. - ASTM STP 1132, p. 62-74.
-
(2) - COOK (C.S.) et al - Texture control in Zircaloy tubing through processing. - ASTM STP 1132, p. 80-95.
-
(3) - CHARQUET (D.) et al - Solubility limits and formation of intermetallic precipitates in ZrSnFeCr alloys. - ASTM STP 1023, p. 405-422.
-
(4) - ISOBE (T.) - Development of highly corrosion resistant zirconium base alloys. - ASTM STP 1132, p. 346-367.
-
(5) - MARDON (J.P.) - Optimization of PWR behavior of Stress-Relieved Zircaloy-4 cladding tubes by improving the manufacturing and inspection process. - ASTM STP 1245, p. 328-347.
-
(6) - MOREL (M.) et al - Updated status of in-reactor experience of FRagema fuel products. - LWR meeting, West Palm Beach,...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
Fournisseurs d'alliages de Zr• Cezus
• Electrostall
• Wah-Chang
• Western Zirconium
Fabricants de tubes de gainage• Cezus
• General Electric
• Kobe Steel
• MHI/MMC
• Sandvik
• Westinghouse
• Zircoproduct
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