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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 des Zircaloys
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2. Généralités communes à tous les alliages de Zr
2.1 Élaboration, transformation et fabricants
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Transformation du minerai de Zr (Zircon) contenant environ 2,5 % de Hafnium, soit, selon le procédé le plus utilisé dans les pays Occidentaux, par voie chimique Kroll conduisant à des éponges de Zr, soit, selon les procédés électrolytiques, ou via les Iodures utilisés par les Russes.
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Compactage de l'éponge avec la matière recyclée (pouvant atteindre – 40/50 % de la charge) et les éléments d'addition (copeaux d'un alliage mère) sous forme d'électrodes.
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Fusion de ces électrodes sous vide au four à arc à électrode consommable, avec au moins trois fusions consécutives, afin d'homogénéiser la composition chimique de l'alliage.
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Les lingots obtenus pèsent jusqu'à 6 tonnes. Ils sont tout d'abord transformés à chaud par forgeage en deux temps. D'abord, en phase β, c'est-à-dire à haute température (> 1 000 oC), puis en phase α + β (600/900 oC ), dès que les dimensions le permettent.
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Puis, on procède à une trempe à partir du domaine β sur billettes, ou barres pleines, pour obtenir une répartition fine et homogène des précipités intermétalliques. Cette étape est essentielle dans le procédé actuel de transformation des alliages de Zr pour garantir la bonne tenue à la corrosion du produit fini.
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Il existe aussi des variantes de gamme trempé/forgé/trempé.
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Les ébauches trempées, usinées, et forées mécaniquement pour garantir une géométrie tubulaire, la plus parfaite possible en termes d'excentrement et d'ovalisation, sont filées à chaud, en phase-α, en ébauches tubulaires, appelées SHELL ou TREX, selon les dimensions.
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Ces semi-produits sont ensuite transformés en tubes minces par une série de cycles de laminage à froid (le plus usuellement, selon le procédé à Pas de Pèlerin, à l'aide de laminoirs VMR et/ou HMR ou, moins fréquemment, selon le procédé HPTR) et de recuits intermédiaires en phase-α (< 600 ou 800 oC selon l'alliage).
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Le type de recuit final du tube fini (détente, recristallisation partielle ou totale) dépend des propriétés souhaitées...
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Généralités communes à tous les alliages de Zr
BIBLIOGRAPHIE
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(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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