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Auteur(s)
-
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 :
-
une connaissance approfondie des phénomènes qui se développent dans ces matériaux sous irradiation ;
-
une analyse des conséquences sur les performances ;
-
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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Critères d'exigence. Types de matériaux
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6. Alliages ZrSnFeV
La famille ZrNbSnV a été moins étudiée. Seules deux variantes, avec des compositions chimiques voisines, ont été élaborées et testées sous irradiation (tableau ci-contre). Elles contiennent une teneur faible en étain de ~ 0,5 % et des teneurs en Fe~ 0,6 % et V~ 0,3 %, conduisant à un rapport Fe/V~2, comme pour les alliages de la famille des Zircaloys.
Ces alliages, ne différant de ceux de la famille des Zircaloys que par une substitution du Chrome par le Vanadium avec des précipités de même nature, il a été aisé pour les fabricants de reconduire tous les développements des Zircaloys à ces alliages en termes de composition chimique et de gamme de fabrication.
In fine, ces alliages tirent principalement leur avantage de la baisse de la teneur en étain sur la tenue à la corrosion, mais avec quelques incertitudes sur le comportement en hydruration. De plus, la présence de Vanadium rend le recyclage délicat. Par ailleur, il reste à démontrer la tenue en conditions de classe II (rampe de puissance) et classe IV (APRP, RIA).
Ci-dessous : Composition chimique nominale des alliages commerciaux et en développement de la famille ZrSnFeV [12] [13]
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Alliages ZrSnFeV
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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