Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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The nuclear industry uses a large number of materials that have been selected due to their nuclear properties (interactions with radiation), or their properties of use (mechanical resistance or corrosion) materials. They are also generally subjected to various streams of radiation (photons, charged particles or neutrons) that modify their structure, composition and properties. After having examined the physical mechanisms of radiation-induced transformations this article details the principal materials used in power reactors: fuel, where fission energy is released, sheathing which forms the first barrier, neutron active elements which are used to control the nuclear reaction, and finally the primary container. Other uses are also presented such as radiation detection, radiation protection and fusion.
Auteur(s)
-
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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Comportement sous irradiation des aciers de structure
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3. Matériaux utilisés pour leurs propriétés nucléaires
3.1 Combustibles
L'uranium, sous forme d'oxyde, est très généralement utilisé comme combustible, généralement enrichi en son isotope fissile 235U. D'autres composés à base d'uranium ou de plutonium (carbures ou nitrures) pourraient être envisagés, mais la comparaison des diverses propriétés physiques et d'emploi sont généralement en faveur du choix de l'oxyde. L'UO2 a été choisi en raison de sa très haute température de fusion (2 845 oC), qui garantit des marges importantes en situations accidentelles, et pour son caractère inerte vis-à-vis de l'eau. Par contre, sa conductibilité thermique est faible, inférieure à 2 W · m–1 · K–1 à 1 000 oC.
Comme la teneur en isotope 235U est relativement faible dans l'uranium naturel (de l'ordre de 0,7 %), il est nécessaire d'enrichir le combustible en cet isotope fissile. L'exploitation des gisements et la concentration du minerai produisent l'oxyde d'uranium naturel U3O8. L'enrichissement en 235U est réalisé en jouant sur les propriétés physiques d'un composé gazeux, l'hexafluorure d'uranium (UF6) : soit via la vitesse des molécules (diffusion à travers des parois poreuses), soit via leur inertie (centrifugation). Les molécules d'235UF6, plus légères et ayant une vitesse moyenne plus élevée, traversent les parois plus rapidement ou sont rassemblées vers les axes des cylindres en rotation rapide. Des cascades de diffusions ou de centrifugations permettent d'enrichir aux niveaux requis (e ~ 4 à 5 %). La conversion a pour objet de transformer l'UF6 enrichi en poudre d'UO2 . Elle consiste à hydrolyser (par l'eau) puis à réduire (par H2) l'UF6 selon la réaction globale :
( 4 )
On obtient alors une poudre fine, facilement frittable. Le frittage est réalisé par traitement à 1 700 oC pendant quatre heures sous hydrogène. La densité finale s'approche de 95 % de la densité théorique
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Matériaux utilisés pour leurs propriétés nucléaires
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).
-
(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
-
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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