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NOTE DE L'ÉDITEUR
La norme NF EN ISO 8044 de novembre 1995 citée dans cet article a été remplacée par la norme NF EN ISO 8044 (A05-001) : Corrosion des métaux et alliages - Vocabulaire (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2003 (Avril 2020).
La norme ISO 8044 de septembre 2015 citée dans cet article a été remplacée par la norme ISO 8044 : Corrosion des métaux et alliages - Vocabulaire (Révision 2020)
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN2001 (Février 2020).
RÉSUMÉ
Les enjeux, remèdes et options de la chimie des réacteurs à eau sous pression (REP) sont détaillés. Les objectifs sont de maîtriser l'intégrité des composants, la durée de vie, la dosimétrie, les impacts environnementaux tout en optimisant les coûts. Pour le circuit primaire, les évolutions des performances combustibles et les contraintes associées sont explicitées. Pour le circuit secondaire, les diverses méthodes pour diminuer les oxydes de fer sont détaillées et constituent un objectif important suite à la suppression progressive des générateurs de vapeur tubés en Alliage 600.
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The challenges, remedies and options of PWR chemistry are detailed in this article. The objectives are to master the integrity of components, life-time, dosimetry and environmental impacts whilst optimizing their costs. With regards to the primary circuit, the evolutions of fuel performances and associated constraints are explained. in terms of the secondary circuit, the various methods used to decrease iron oxides are detailed; they are a major objective due to the progressive elimination of steam generators with Alloy 600 tubes.
Auteur(s)
-
Francis NORDMANN : Direction technique du Groupe des laboratoires d'électricité de France
-
Gérard PINARD LEGRY : Département d'études du Comportement des matériaux du Commissariat à l'énergie atomique - Article mis à jour par Francis NORDMANN, expert consultant
INTRODUCTION
Quels que soient les avantages qu'elle peut présenter, la production d'électricité à partir de l'énergie nucléaire se doit de rester compétitive par rapport aux autres sources d'énergie en garantissant un niveau de sécurité élevé, de faibles débits de dose auxquels peuvent être exposés les travailleurs et la population, un impact environnemental (rejets/effluents) acceptable et un prix de revient faible. La bonne tenue à la corrosion des matériaux est un des facteurs clés pour ces deux enjeux. Le premier point exige de pouvoir assurer l'intégrité des matériaux de structure tout au long de la vie du réacteur en limitant les dégradations et les conséquences du vieillissement sous l'effet de la température, du rayonnement et de l'environnement chimique. La sûreté des réacteurs à eau sous pression (REP) est en effet basée sur le principe d'une triple barrière autour du combustible nucléaire : la gaine, la paroi du circuit primaire et l'enceinte de confinement. Le coût de production, quant à lui, dépend aussi directement de la bonne tenue des matériaux en permettant un taux de disponibilité maximal et une diminution des coûts de maintenance associés aux contrôles en service et aux interventions pour réparer d'éventuels dommages.
Dans sa définition normalisée (NF EN ISO 8044), la corrosion désigne les processus d'interactions physico-chimiques intervenant entre un métal et son environnement et conduisant à une dégradation de la fonction du métal, du milieu environnant ou du système technique dont ils font partie. En d'autres termes, c'est dire que la résistance à la corrosion n'est pas une propriété intrinsèque d'un matériau mais qu'elle dépend essentiellement du milieu environnant. La maîtrise des problèmes de corrosion passera donc tant par un choix judicieux des matériaux que par un contrôle rigoureux de la composition chimique des milieux. C'est ce qui justifie l'association, dans une même présentation, de la corrosion et de la chimie de l'eau.
Après les informations essentielles fondamentales permettant de comprendre les phénomènes physico-chimiques qui interviennent dans les circuits d'une centrale nucléaire, cet article précise les enjeux liés à la chimie, la corrosion des principaux circuits (primaire et secondaire essentiellement). Les divers types de dégradations en fonction de la conception et des matériaux et les remèdes associés sont décrits. Ils concernent notamment la fissuration sous contrainte des alliages inoxydables, la corrosion-érosion des aciers au carbone. Le comportement du combustible nucléaire et les risques d'anomalie de flux sont précisés. Les moyens de maîtriser la dosimétrie et certains rejets dans l'environnement sont également explicités. Les spécifications chimiques les plus importantes appliquées pour une exploitation fiable des centrales sont indiquées.
Le lecteur pourra consulter utilement les articles spécialisés du traité Métallurgie ainsi que, dans le traité Génie nucléaire, les articles décrivant la technologie des réacteurs à eau pressurisée et la rubrique « Structure des réacteurs nucléaires ».
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MOTS-CLÉS
Etat de l'art REP acide borique amine inconel Corrosion chimie
KEYWORDS
state of art | PWR | boric acid | amine | inconel | Corrosion | chemistry
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Corrosion
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1. Rappel des propriétés physico-chimiques de l'eau
Dans les REP, l'eau est utilisée en tant que modérateur et caloporteur dans le circuit primaire et dans le circuit secondaire comme fluide thermodynamique pour transformer la chaleur en énergie mécanique au moyen d'un cycle de Carnot mettant en jeu le liquide et sa vapeur. Les performances de la machine thermique ainsi constituée vont dépendre essentiellement des propriétés physiques de l'eau. Néanmoins, les propriétés physico-chimiques vont directement intervenir dans les processus de corrosion et, de ce fait, il est nécessaire de bien les caractériser dans les conditions de fonctionnement des REP, c'est-à-dire à des températures atteignant 325 oC et des pressions de l'ordre de 150 bar (la température critique de l'eau est de 375 oC).
1.1 Dissociation, pH
On peut rappeler que l'eau est un électrolyte faiblement dissocié donnant naissance à des protons solvatés et des ions hydroxyl. La constante de dissociation de l'eau pure et utilisable pour les solutions diluées s'écrit sous la forme :
avec :
-
![]()
: - activités (assimilables ici aux concentrations) des ions H+ et OH–.
Cette constante de dissociation, qui caractérise l'équilibre d'acido-basicité de l'eau, varie avec la température en présentant une valeur maximale vers 250 oC. De ce fait, le pH de l'eau pure (qui par définition est celui de la neutralité puisque
) passe par un minimum (pH = 5,6), à la même température. Le pH joue un rôle prépondérant dans tous les processus de corrosion et dans tous les équilibres de solubilité des espèces chimiques. Il varie en fonction de la température selon les espèces en présence (figure 1).
Pour le milieu primaire contenant de l'acide borique et de l'hydroxyde de lithium, le pH évolue...
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Rappel des propriétés physico-chimiques de l'eau
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BEVERSKOG (B.), PUIDOMENECH (I.) - Revised Pourbaix diagrams for iron at 25-300 oC (Diagrammes de Pourbaix revus pour le fer à 25-300 oC). - Corrosion science, Elsevier Science Ltd, 38, n o12, 3 tableaux, 4 figures, bibl. (97 réf.), p. 2121-2135, Oxford, Grande-Bretagne (1996).
-
(2) - BERGE (J.-Ph.) - Corrosion in pressurized reactors (corrosion dans les REP). Corrosion in the Nuclear Industry (Corrosion dans l'industrie nucléaire). - Publication de la Fédération Européenne de Corrosion, vol. 1, p. 1-3 (1989).
-
(3) - NORDMANN (F.) - Radioactivity transport in primary circuit (Transport de radioactivité dans le circuit primaire). - IAEA workshop on Environmental degradation of components in NP reactors, Miramare, Italie, 5 mars 2012.
-
(4) - YOU (D.) et al - Dissolution and solubility of cobalt and nickel ferrites in PWR primary conditions. (Dissolution et solubilité des ferrites de cobalt et de nickel dans les conditions du circuit primaire des REP). - Water chemistry of nuclear reactors systems 7 (Chimie de l'eau dans les centrales nucléaires 7), Bournemouth, British Nuclear Energy Society, 13-17, oct. 1996.
-
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
International Conference on Water Chemistry in Nuclear Reactor Systems – SFEN. Avignon, France, 22-26 avril 2002. Actes édités par la Société Française d'Énergie Nucléaire, 5 rue des Morrillons, 75015 Paris
EPRI Conference on Nuclear Water Chemistry in Reactor Systems. San Francisco, USA, octobre 2004, Actes édités par Electric Power Research Institute, 3420 Hillview Avenue Palo Alto, CA 94304, USA
International Conference on Nuclear water Chemistry in Reactor Systems, Jeju, Corée, octobre 2006
NPC'08” International Conference on Water Chemistry of Nuclear Reactor Systems – Berlin 14-18 septembre 2008, Actes édités par VGB, Postfach 10 39 32 – D-45039 Essen, Allemagne
Nuclear Plant Chemistry Conference, NPC 2010. Quebec, 3-7 octobre 2010. Actes édités par AECL, Énergie atomique du Canada limitée – Chalk River (Ontario) – Canada K0J 1J0
NPC 2012 – Nuclear Plant Chemistry Conference. 24-28 septembre 2012 – Actes édités par la Société Française d'Énergie Nucléaire, 5 rue des Morrillons, 75015 Paris
Livres édités par ANT – International – Analysvägen 5, SE-435 33 Mölnlycke, Sweden, dont ODAR (S.) et NORDMANN (F.) « PWR and VVER Secondary System Water Chemistry » 2010
Stress corrosion cracking of nickel base alloys : « The Coriou Effect » Maney publishing 2012
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