Comportement des matériaux lors des perçages de ... - gedepeon

Comportement des matériaux lors des
perçages de tubes de GV en situation de
Réaction
Sodium–Eau
F. Beauchamp (DTN/STPA)
ATELIER GEDEPEON MATINEX – « Les matériaux pour les RNR refroidis au sodium» 19 mars 2012 1

Principe d’une
chaudière nucléaire
d’un RNR-Na à SCE
eau-vapeur
sodium
Générateur
de Vapeur
eau-vapeur
Phénix
Superphénix
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PROBLEMATIQUE
vapeur 500°C
Eau / vap
Na
Na
530°C
Vue (simplifiée)
en coupe
GV SFR
eau-vapeur
WASTAGE
Na
345°C
Défaut d’étanchéité
↓
Na
P Na

AUTO-EVOLUTION & WASTAGE
1) Auto-évolution d’une d
fuite d’eaud
Origine :
Défaut initiateur (zones
proches des soudures) fissure + Réaction Sodium-Eau zone réactionnelle
Effets :
Elargissement de l’orifice de la fuite (auto-évolution)
Endommagement des obstacles voisins (tubes ou virole) par enlèvement de matière
Conséquences :
Percement du tube voisin création d’une fuite secondaire
2) Wastage
des tubes voisins
TUBE CIBLE
eau-vapeur
STEAM
WASTAGE
PRODUITS DE LA
REACTION
SODIUM
JET
ORIFICE
eau-vapeur
STEAM WASTAGE
(autoévolution)
TUBE INJECTEUR
Tube d’un GV classique
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Propagation des fuites par wastage et par échauffement
T >
1000°C
Pint
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MECANISMES DU WASTAGE
Modèle de TREGONNING (UKAEA)
mécanisme d’érosion et
de corrosion
le sodium entrainé par le jet réagit avec la
vapeur d’eau
formation d’une fine couche corrosive de
soude et de produits de réaction
corrosion et érosion agissent mutuellement
pour provoquer le wastage :
la corrosion permet à l’érosion d’agir en
présentant une surface continuellement affaiblie par les oxydes produits
le métal qui n’a pas subi de corrosion résiste à l’érosion
Modèle de NEWMAN (CEGB)
le mécanisme de corrosion est à l’origine du wastage aux points de contact de la
zone réactive et de la cible
peut intervenir un second processus d’érosion :
l’impact de la flamme réactionnelle et des gouttes de sodium
entraînées enlève les produits de corrosion et les grains métalliques
l’endommagement de la cible est amplifié
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ETUDES PHENOMENOLOGIQUES DE LA RSE
Modélisation du wastage : modèle PERCEVAL
Modèles paramétriques issus des essais JONAS et SUPER-JONAS
Pour caractériser les vitesses de wastage, ainsi que les profils des zones
endommagées, des tubes GV en alliage 800
Qualifié et intégré dans la dernière version du code PROPANA
Profil des dommages : x = F(r;[r e
, r t
, x e
, x t
])
Vitesse de wastage au centre
W c
= F(X;[w cM
, X cM
,N c
,X 2
])
Vitesse radiale de wastage
W toric
= F(X;[w tM
, X tM
,N t
,X 3b
])
W cM et W tM = F(P water ,T Na , θ, F mat )
X cM = F(P water ,T water , θ)
X tM = F(P water ,T Na , θ)
X 2 = F(P water )
X 3b = F(P water , T Na )
N c = F(P water ,T Na )
N t = F(P water )
Diamètre des tores et extérieur de l’empreinte
ext et
t
= F(X;[P water
, T water
, θ, F mat
])
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EXTRAPOLATION DU MODELE AUX ACIERS EN 9%CR
Le modèle de wastage PERCEVAL est très fortement corrélé à la
nature du matériau A800 des tubes des GV de type SPX (en hélice), et
à son comportement intrinsèque
Evolution possible vers des tubes droits en acier ferritique 9%Cr 1Mo
(T91)
Par le passé, facteur multiplicatif Fmat = 6 pour extrapoler le wastage
des aciers ferritiques à partir du modèle de wastage de l’A800
Besoin de mieux caractériser les vitesses de wastage du 9%Cr
Approfondir les connaissances du comportement du 9Cr aux effets du
wastage
Disposer d’essais complémentaires de wastage sur le 9%Cr pour :
1 ère étape : adapter le modèle de wastage au 9%Cr, par une optimisation
des facteurs d’extrapolation par domaines et conditions de fonctionnement
d’un GV ASTRID
2 ème étape : développer un modèle de wastage propre au 9%Cr
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WASTAGE : INFLUENCE DU MATERIAU DE LA CIBLE
Besoin d’améliorer les connaissances « matériaux » sur les mécanismes en
jeu :
Influence composition des alliages sur la résistance au wastage :
Globalement, mal connue, bien qu’il soit établi que la
résistance au wastage augmente avec le % de Ni,
éventuellement aussi avec le % de Cr
Eléments résistant à la corrosion en milieu alcalin liquide
Influence ajout d’éléments mineurs (Si, W, Nb,…)
Une réflexion doit être menée sur la caractérisation du comportement du
9%Cr, dans les différentes nuances envisagées :
réaliser des essais paramétriques simplifiés permettant de quantifier et de comparer
précisément le comportement des matériaux
w (mm/s)
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
480°C ~17mm 140bar
2,25Cr1Mo 17,5 mm 480°C Japan
Mod. 9Cr 1Mo JAEA
12Cr JAEA
A800 510°C ~18 mm 140bar SJ
A800 510°C ~18 mm 180bar SJ
2,25Cr 1Mo Modèle Kanegea 78
0,1 1 10 100
m0 (g/s)
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Réflexion sur des expériences sans sodium
pour des études analytiques et paramétriques
Impact d’un jet de soude à haute T sur une cible : étude de l’influence de la
température et de la vitesse
d’impact du jet
Expérience pertinente
pour des études paramétriques sur
le comportement des matériaux au
wastage
CARACTERISATION DU MATERIAU EN 9%Cr
Piste d’étude expérimentale pour
approfondir les connaissances sur
l’influence de la composition des
alliages sur la résistance au
wastage
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REFERENCES
[1] THOMINE G. « Modelling of water leakage effects in fast breeder reactor steam generator », Proc. 13th Int.
Conf. on Structural Mechanics in reactor Technology (SMiRT 13), Porto Alegre, Brazil, August 13-18, 1995
[2] GREENE DA « Sodium-water reaction phenomena associated with small leaks in LMFBR steam generators » - Liquid
metal engineering and technology – BNES, London, 1984
[3] NEWMAN RN. « Explosive interaction between sodium and water, and material wastage in the vicinity of leaks in
sodium water heat exchanges » - Proc. of the Conf. on Liquid Alcaly Metals, BNES, London, 1973 - 85-91
[4] CURRIE R. « The UK contribution to the sodium-water reaction R and D programme in support of EFR » - IAEA
IWGFR specialists‘ Meeting on Steam Generator Failure Propagation, 26-28 September1990
[5] GREENE D.A. « The leakage of water into sodium in steam generators and test rigs » - Nuclear Technology, 1973,
18, 267-76.
[6] GREENE DA. « Preliminary results from small leak tube wastage scoping tests » - Conf. 74041-P1, Beverly Hills,
California, April 2-4, 1974
[7] CHAMBERLAIN HV. « Studies of material wastage resulting from reactions of water in sodium » - APDA, Report 254,
1970
[8] ANDERSON R. « Analysis of experimental data on material wastage by sodium-water reaction jets » - Nuclear
Energy 1979, Vol 18, Oct, No5, 333-342
[9] DIVINE JR. « A state of the art review of degradation processes in LMFR materials » - §II- Corrosion behavior -
March 7, 1975
[10] PNC-TN9410-92-097, Hamada & Tanabe
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REFERENCES
[11] JK CHAI ; JY Jeong, BH Kim, TJ Kim JH Choi, DH Hahn et ES Kim "Sodium-water reaction characteristics with a
specimen target of ferrite steel by water leakage in liquid sodium", J. Ind. Eng. Chem., 10(4), p 524-530, 2004
[12] JK. CHAI ; JY Jeong, BH Kim, TJ Kim, JH Choi & ES Kim, « A Study on the Corrosion and Reaction Characteristics
at the Heat Transfer Tube Surface by Sodium-Water Reaction", J. Ind. Eng. Chem., 8(3), p 283-289, 2002
[13] WT Lee, "Examination of four sodium-water reaction target tubes", Liquid Metal Engineering Center – Memo 1970/5
[14] K. SHIMOYAMA, H. HAMADA, H. TANABE, M. USAMI, Wastage characteristics of High-Chrome Steel Heat
Transfer Tube. PNC TN9410 93-212 - 09/1993
[15] K. SHIMOYAMA & all, Wastage characteristics of Welds of High-Chrome steel Heat Transfer Tube of steam
generator. PNC TN9410 91-288 - 07/1991
[16] K. SHIMOYAMA, Wastage-Resistant Characteristics of 12Cr Steel Tube Material. PNC TN9410 2004-009 - 03/2004
[17] A. GERBER, JP. PIRUS, S. BEILLS, B. CARLUEC, F. BEAUCHAMP, JP. JEANNOT, G. PRELE “ Safety
improvement research to design a sodium fast reactor steam generator with regard to sodium/water reaction risk” –
ICAPP-2010 – San Diego, CA, USA, June 13-17, 2010
[18] S. Kishore, “An experimental study on impingement wastage of Mod 9Cr 1Mo stell due to sdium water reaction",
Nuclear Engineering and Design xxx (2011)
[19] A. Kurihara, H. Ohshima, K. Shimoyama, R. Umeda, “ High-Temperature Sodium Hydroxide Impinging Experiment
for Investigating Tube Wastage Phenomena Caused by Sodium-Water Reaction in FBR Steam Generator ", Vol.77,
No.776, pp.964-968 (2011) - Japan Society of Mechanical Engineers, Series B
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Merci pour votre attention !
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