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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 quaternaires ZrSnFeNb
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4. Alliages de la famille Zr-Nb
Cette famille des alliages Zr-Nb (tableau ci-contre) est largement utilisée pour les tubes de gainage et les éléments de structure des assemblages combustibles. Elle offre une alternative extrêmement intéressante aux alliages de la famille des Zircaloys, en particulier pour les réacteurs Candu (Z r Nb 2, 5 %) mais aussi pour les VVER, les RBMK (E110) et les REP (M5ä).
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Fin des années 1990, les exigences des exploitants de REP se sont accrues, en particulier en termes d'épuisement de décharge > 65 GWj/tU et de conditions de fonctionnement extrêmement sollicitantes pour le tube de gainage (haut Li, injection de Zn, puissance augmentée, taux de vide élevé). Pour cela, les concepteurs et fabricants ont proposé des alliages présentant, dans les conditions précédemment décrites, des performances élevées en termes de corrosion, hydruration, variations dimensionnelles, tenue en rampes de puissance et en conditions accidentelles de classe 4 (APRP et l'accident d'éjection de grappes ou RIA, Reactivity Insertion Accident). Au milieu des années 1980, des concepteurs comme AREVA NP se sont orientés vers la famille des Z r Nb1 %. Les principaux alliages commerciaux (ou en développement (en italique)) sont rassemblés dans le tableau ci-contre.
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Pour cette famille d'alliages l'élément chimique principal est le Niobium. Sa teneur va de 1 à 2,5 %, selon l'usage, et il est réparti entre la solution solide, avec une limite de solubilité qui dépend, en particulier, de la teneur en Fer, et les précipités. Deux alliages ont une base Niobium à 1 % (tableau ci-contre). L'alliage russe E110, caractérisé, entre autres, par une faible teneur en Fer (– 150 ppm) et en Oxygène (– 600 ppm), et une forte teneur en Hafnium (– 500 ppm). Alors que l'alliage M5ä présente une composition chimique optimisée, résultant d'un vaste programme de développement conduit par AREVA NP et CEZUS, dans les années 1980-1990 [14].
Il en résulte un alliage avec une forte teneur en oxygène (– 1 400 ppm), pour augmenter les...
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Alliages de la famille Zr-Nb
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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