Bibliographie & annexes
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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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Environnement nucléaire
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6. Perspectives
L'environnement nucléaire impose aux matériaux, comme de nombreuses industries, des contraintes sévères de sollicitations thermomécaniques, mais à celles-ci s'ajoutent des spécificités liées aux réactions nucléaires, recherchées pour certaines et subies pour d'autres. Elles conduisent au choix de matériaux aux comportements nucléaires particuliers, ou au rejet d'autres matériaux pourtant performants hors irradiation. Enfin sur tous les matériaux, les rayonnements induisent des transformations structurales aux conséquences importantes pour les propriétés d'emploi.
Si la connaissance qualitative des mécanismes associés à ces évolutions est satisfaisante, la complexité effective d'un alliage industriel laisse une prévision quantitative du comportement sous irradiation d'un nouvel alliage largement hors de portée de nos capacités actuelles de scientifiques ou d'ingénieurs. Compte tenu du coût et de la durée des expériences d'irradiation, rarement accélérables, les simulations expérimentales ou numériques sont sources importantes d'enrichissement de connaissances et contribuent à orienter avec profit la R ou la qualification des matériaux en réduisant les irradiations en conditions réelles. Elles sont donc d'autant plus utiles que plusieurs des matériaux décrits dans cet article n'ont pas d'usages hors du domaine nucléaire et ne bénéficient d'aucun progrès que ceux-ci induiraient.
En plus des connaissances habituelles requises pour les ingénieurs matériaux, que sont les sciences de la chimie, la thermodynamique, la cristallographie, la corrosion, la mécanique…, le domaine des matériaux pour usage nucléaire demande une connaissance approfondie de la physique des réacteurs et des flux d'irradiation associés, ainsi que celle du comportement de défauts cristallographiques non observés hors conditions d'irradiation. Cette extension de compétence conduit à créer une classe spécifique de matériaux, ceux destinés à des usages nucléaires. Il en va de même pour le collège des ingénieurs et scientifiques dont la science des matériaux pour le nucléaire constitue le domaine de travail.
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Perspectives
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
-
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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