Pour comprendre et modéliser l’ensemble des phénomènes physiques
pouvant survenir lors d’un accident grave dans un réacteur nucléaire,
une bonne connaissance des propriétés des matériaux du cœur du réacteur,
en particulier des propriétés thermodynamiques, est indispensable.
Lors d’un tel accident, des températures très élevées peuvent être
atteintes (potentiellement supérieures à 3 120 K qui est la température
de fusion du combustible UO 2 ) de sorte que les matériaux
des différents composants du cœur (barre de commande, gaine, combustible…)
peuvent fondre et interagir pour former des mélanges complexes (mélange
de matériaux communément appelé corium). Le corium est généralement
caractérisé par la présence en son sein d’un grand nombre d’éléments
chimiques et peut présenter un aspect multiphasique (par exemple,
un mélange d’une phase liquide et de phases solides, un mélange de
deux phases liquides non miscibles…). La thermodynamique permet de connaître l’état physique à l’équilibre,
la manière dont cet état se modifie avec les variables d’état, par
exemple la composition et la température et par suite les conditions
dans lesquelles une transformation peut se produire dans un sens déterminé.
Certes elle ne dit rien des mécanismes de transformation ni de la
durée de leur mise en œuvre et donc rien de la cinétique d’atteinte
de l’équilibre. Mais pour pouvoir prédire l’évolution de la dégradation
du cœur en situation accidentelle, il est important de pouvoir distinguer
les évolutions possibles de celles qui ne le sont pas et c’est ce
que la thermodynamique permet de faire de façon certaine. En particulier,
elle permet de prédire l’état d’ordre du matériau (autrement dit les
phases à l’équilibre thermodynamique) en fonction des variables d’état,
la connaissance de cet état d’ordre étant un préalable à la mise en
œuvre d’un grand nombre de modèles ou d’approches qui sont utilisés
dans les codes de simulation des accidents graves. La difficulté de l’appréhension du comportement thermodynamique
des matériaux tant sur le plan expérimental que sur celui de la modélisation
tient au fait qu’elle doit non seulement porter sur les matériaux
des composants du cœur pris individuellement mais également sur les
mélanges résultant de l’interaction de ces matériaux entre eux et
ce, sur une gamme de température qui s’étend de la température nominale
de fonctionnement du réacteur jusqu’à des températures pouvant atteindre
la fusion du combustible (3 120 K pour UO 2 ). On mesure
aisément la difficulté de la tâche. De manière classique et ce depuis longtemps, la connaissance de
la thermodynamique d’un matériau s’appréhende par l’établissement
d’un diagramme de phase qui est une représentation graphique de l’état
d’ordre du matériau en fonction, généralement, de la composition et
la température. Le diagramme de phase est déterminé de manière expérimentale
à partir des mesures de différentes propriétés (températures de changement
de phase, compositions des phases après trempe…). Des recueils répertorient
ces diagrammes établis par l’expérience, pour les matériaux simples,
dits systèmes binaires (c’est-à-dire composé de 2 éléments chimiques,
voir par exemple HANSEN (M.), ELLIOTT (R.P.), ANDERKO (K.), INSTITUTE (I.R.) - Constitution of Binary Alloys . ) et parfois pour les systèmes ternaires (3 éléments). Pour le corium, la tâche est d’une toute autre ampleur compte
tenu du nombre élevé d'éléments chimiques à considérer et du vaste
domaine de température à couvrir. On comprend qu’une approche expérimentale
ne peut répondre à elle seule à ce défi, même si elle demeure indispensable.
Une approche alternative, la méthode CALPHAD KAUFMAN (L.), BERNSTEIN (H.) - Computer Calculation
of Phase Diagrams with Special Reference to Refractory Metals . dont les principes
de modélisation sont rappelés en section 2 , consiste à construire les diagrammes
de phase par calcul, d’abord pour les systèmes binaires puis ternaires.
Elle présente alors l’avantage de pouvoir prédire la thermodynamique
d’un matériau complexe (plus de trois éléments) à partir de la seule
modélisation de ces systèmes de plus bas ordre, ce qui en fait une
méthode très puissante. Elle permet également d’intégrer dans une
fonction unique (G, enthalpie libre ou énergie de Gibbs), l’information
expérimentale déduite des diagrammes de phase (limites de domaine
de stabilité, températures de transition essentiellement) et celle
issue de mesures des grandeurs thermodynamiques (enthalpie de formation,
activité, potentiel chimique…), et ainsi d’assurer une cohérence entre
ces différentes sources d’information. En ce sens, c’est la richesse
de l’information expérimentale qui permet d’associer à la modélisation
thermodynamique un niveau de pertinence pour le matériau ou le mélange
considéré. Ainsi, nous montrerons, en section 3 , la manière dont l’information obtenue
dans les expériences est intégrée dans l’approche CALPHAD. Cette approche
mixte, basée à la fois sur le calcul et sur l’expérience, qui est
aujourd’hui très largement utilisée pour la description des matériaux
complexes, a été mise en œuvre pour décrire la thermodynamique appliquée
aux accidents graves avec la constitution de deux bases de données
décrites en section 4 , TAF-ID GUÉNEAU (C.), DUPIN (N.), KJELLQVIST (L.), GEIGER (E.), KURATA (M.), GOSSÉ (S.), CORCORAN (E.), et al - TAF-ID :
An international thermodynamic database for nuclear fuels applications . développée sous les auspices de l’Agence pour l’énergie
nucléaire (AEN) et NUCLEA FISCHER (E.) - NUCLEA Thermodynamic Database for Corium Applications . développée par l’Institut de radioprotection
et sûreté nucléaire (IRSN). Ces bases de données, compte tenu du travail
conduit depuis de nombreuses années, ont atteint un certain degré
de fiabilité et quelques calculs d’applications pour l’illustrer seront
présentés en section 5 . Aujourd’hui, néanmoins, ces bases requièrent d’être consolidées
pour être à même de répondre à la prise en compte des conséquences
de l’introduction de nouveaux matériaux (gainages et combustibles
dits ATF) dans les réacteurs à eau sous pression ou encore l’évaluation
de nouveaux concepts (réacteurs à sels fondus par exemple, section 6 ).
