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RÉSUMÉ
L'industrie nucléaire utilise de nombreux matériaux sélectionnés en raison de leurs propriétés nucléaires (interactions avec les rayonnements), ou de leurs propriétés d'emploi (résistance mécanique ou à la corrosion). Ils sont aussi généralement soumis à divers flux de rayonnements (photons, particules chargées ou neutrons) qui modifient leurs structures, compositions et propriétés. Après avoir examiné les mécanismes physiques des transformations induites par l'irradiation, sont détaillés les principaux matériaux utilisés dans les réacteurs de puissance : le combustible, où se libère l'énergie de fission, le gainage qui forme la première barrière, les éléments neutroniquement très actifs, qui servent au contrôle de la réaction nucléaire, et enfin la cuve primaire. D'autres utilisations sont aussi abordées, la détection des rayonnements, la radio-protection et la fusion.
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Clément LEMAIGNAN : Directeur de recherche CEA - Professeur INSTN
INTRODUCTION
Le terme de « matériaux nucléaires » recouvre deux domaines industriels distincts : les matériaux qui sont classiquement utilisés dans l'industrie, généralement dans des conditions thermomécaniques semblables à celles des réacteurs, et ceux qui sont sélectionnés en raison de propriétés nucléaires particulières.
Ainsi les aciers, le graphite ou les bétons ont été utilisés bien avant le développement de l'industrie nucléaire. Certains particularismes induits par le nucléaire, essentiellement liés aux effets d'irradiation, conduisent cependant à des comportements spécifiques. Il est impératif de les maîtriser suffisamment pour pouvoir les prendre en compte lors de la conception et de l'utilisation industrielle.
Dans la classe des matériaux sélectionnés en raison de leurs propriétés nucléaires, on trouvera bien évidemment les combustibles, en particulier l'uranium ou le plutonium pour leurs réactions de fission, les alliages à base de zirconium à cause de leur très grande transparence aux neutrons, ou encore les « éléments absorbants » utilisés pour contrôler la réaction nucléaire, tels que les alliages contenant du cadmium ou des composés borés. Pour ces matériaux, l'impact des transmutations nucléaires pourra fortement modifier leurs comportements. On n'oubliera pas tous les composants utiles pour la protection ou l'instrumentation (mesures des flux d'irradiation neutronique ou électromagnétiques), pour lesquels les choix seront liés aux réactions induites lors d'une irradiation donnée (absorption, émission β–, activation, etc.).
Dans cet article, on se penchera sur les critères de sélection des matériaux pour le nucléaire et sur les modifications induites par l'irradiation lors de leur emploi industriel. Une description simplifiée des sollicitations présentes en milieu nucléaire précédera une introduction aux mécanismes physiques du dommage d'irradiation avant d'appliquer ces concepts aux divers matériaux ou environnements nucléaires à prendre en compte.
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5. Autres matériaux fonctionnels pour le nucléaire
5.1 Protection contre les rayonnements
Pour la protection contre les rayonnements, et pour le confinement des enceintes de matières nucléaires, on utilise divers matériaux sélectionnés principalement en fonction de leur capacité d'absorption des rayonnements émis. Cette efficacité d'absorption dépend à la fois du rayonnement et des matériaux absorbants. La protection principale étant recherchée envers les neutrons ou les photons γ, on détaillera principalement ces situations.
L'atténuation d'un rayonnement est continue sur le parcours de la particule considérée. Ainsi, le rayonnement transmis décroît dans les mêmes proportions, pour la même épaisseur d'absorbant traversé, conduisant à une intensité transmise I t , proportionnelle à l'intensité incidente I 0 :
où x est l'épaisseur traversée et μ le coefficient d'atténuation linéique pour le rayonnement considéré. Dans le cas des photons, la valeur du coefficient d'atténuation μ augmente fortement avec le numéro atomique, mais dépend aussi de l'énergie des photons considérés. La figure 8 indique l'épaisseur conduisant à une réduction d'un facteur 10, en fonction de l'énergie des photons, et pour divers matériaux.
ci-dessus : Comparaison de divers matériaux utilisés pour la protection contre les rayonnements
Dans le cas des neutrons, les processus sont plus complexes, car il faut d'abord ralentir les neutrons sur un modérateur, pour que leurs plus faibles énergies conduisent à des sections efficaces de capture plus élevées sur les absorbants neutroniques. Les protections correspondantes seront donc composites (modérateur + absorbant).
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Autres matériaux fonctionnels pour le nucléaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - Nuclear materials. - Ed. : FROST (B.R.T.), materials Science and Technology, vol. 10 A et B, VCH, D--69541, Weinheim, ISBN : 1-56081-190-0 (en cours de révision) (1994).
-
(2) - Materials under irradiation. - Ed. : DUNLOP (A.) et al., Solid State Phenomena, vol. 30-31, Trans. Tech. Pub. Ltd, CH-4714, Aedermannsdorf (1992).
-
(3) - Le combustible nucléaire des réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à neutrons rapides. - Éd. : BAILLY (H.), MÉNESSIER (D.) et PRUNIER (C.), Eyrolles, Paris (1996).
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(4) - LEMAIGNAN (C.) - Science des matériaux nucléaires. - EDP Sciences, Coll. Génie Atomique de l'INSTN-CEA (2003).
-
(5) - Les combustibles nucléaires. - Coll. CEA-DEN, ISBN13 : 978-2-281-11325-9, Le Moniteur, Paris (2008).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Règles de Conception et de Construction des Matériels Mécaniques des Îlots Nucléaires REP - RCC-M - 2007
-
Règles de Conception et de Construction des Assemblages de Combustible des Centrales Nucléaires - RCC-C - 2005
-
Standard Specification for Zirconium and Zirconium Alloy Ingots for Nuclear Application - ASTM B350/B350M-02 - 2006
1.1 Organismes – Associations – Fédérations
Association française pour les règles de conception, de construction et de surveillance en exploitation des matériels des chaudières électronucléaires (AFCEN) http://www.afcen.com/
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