Corrosion des matériaux de gaine (ODS, alliages V, SiC ... - gedepeon

CORROSION DES MATERIAUX DE GAINE EN MILIEU SODIUMALLIAGE DE VANADIUMETCOMPOSITE SIC-SICF. ROUILLARD, JL COUROUAU, T. COZZIKA,S. BOSONNET, C. DESGRANGES, V. LORENZCEA/DEN/DPC/SCCMERéunion GEDEPEON-MATINEX 20121

1. CONTEXTE2. ALLIAGE DE VANADIUM Bibliographie Essais en He Essai en Na Conclusions et Perspectives3. COMPOSITE SIC-SIC Bibliographie Essais en He Essai en Na Conclusions et perspectives4. LINERS et ODSCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20122

Concept RNR-Na actuelGaine= 1 ère barrière de confinementRésistance au fluage(thermique et irradiation)Bon conducteur thermiqueBon comportement dans Na ?Alternative aux aciers=Alliage de Vanadium (V-4Cr-4Ti)Tube Hexagonal= contenir/maintenir le faisceau d’aiguillesRésistance au fluage(thermique et irradiation)Bon comportement dans Na ?Alternative aux aciers=Composite Si f /SiC mCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20123

ALLIAGE DE VANADIUM : V-4Cr-4TiCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20124

ALLIAGE VANADIUM : une pompe à « oxygène »CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20125

ALLIAGE VANADIUM : effet OxygèneSi P O2 < 10 -4 Pa : cinétique linéaire = réaction interface (adsorption/dissociation)facteur limitantSi P O2 > 10 -4 Pa : cinétique parabolique = diffusion dans oxyde facteur limitantEffet du diluant gazeux : O 2 dans He oxyde moins vite O 2 dans vide [« effet écran »]Baisse de la ductilité par [O] dissousLa formation d’une couche d’oxyde protège contre ladissolution de [O] mais…..…n’est pas bénéfique à long terme carsi recuit HT alors dissolution de la couche vers le métalD’après Pint et al. :Pour tenue mécanique pendant 4 ans à 700°C, ilfaut pour garder élongation totale > 10% :P O2 < 10 -16 Pa !B. Pint et al. [Oxidation of Metals 63 (2005)]CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20126

ALLIAGE VANADIUM : dans He+O 2He + 5ppm O 2– 650°CSurfaceCoupeFissuresProfil de dureté probablement due àdissolution oxygène (en accord avec DRXaugmentation du paramètre de maille)Perspectives :Quantification profil O(fabrication étalon V-O + SDL +µindentation)[O] dans Vanadium= f(phases stables et propriétés méca)CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20127

ALLIAGE VANADIUM : dans NaDans Na : Solubilité dans Na très faible [~2 ppm à 600°C] = pas ou peu de dissolution Très sensible aux impuretés non métalliques du Na : C, O, N[O] faible ( 5 ppm : oxydation importante [O] < 1 ppm : oxydation faible mais à vérifier !Difficultés rencontrées dans toutes les publications :fiabilité des mesures de prise de masse après lavage des échantillons =difficultés d’estimer la corrosion !Mesure de [O] dans Naet la sensibilité au Carbone ?CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20128

Essai Na 550°C – 360 h – [O] < 10 ppm : 3 échantillonsLavage1 er lavage « classique » dans éthanol + étuvage60°C – 2h : perte de masse = -116 mg/cm 22 ème lavage « poussée » dans éthanol + ultrasons30 min + étuvage 60°C – 2h :perte de masse = -133 mg/cm 2(+15%)V-4Cr-4Ti après et avant essaiCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 20129

Essai Na 550°C – 360 h – [O] < 10 ppm : 3 échantillonsAnalyse solution de lavage par ICP :Présence de V (entre 0,7% et 4% massique suivant échantillon)‣Oxyde de Vanadium non-adhérent qui se détache lors du lavagePrésence de traces de Si (0,1%), de [Fe, de Cr et de Cu] (0,01%)Proviennent de l’alliage de V ou transfert de masse ?Observations MEB oxyde non-adhérentCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201210

Essai Na 550°C – 360 h – [O] < 10 ppm : 3 échantillonsLin (Counts)34003300320031003000290028002700260025002400230022002100200019001800170016001500140013001200110010009008007006005004003002001000Vanadiumaprès essaiVanadium initial10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 112-Theta - ScaleSD80778-CH8-4B - File: SD80778.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 35.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.050 ° - Step time: 60. s - Generator kV: 40 kV - Generator mA: 34 mA - Divergence slit: 0.982 ° - Antiscatter slit: 0Operations: Strip kAlpha2 0.021 | Background 0.031,1.000 | ImportV4Cr4Ti-1A57.2 - File: SD80801.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 110.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 45. s - Generator kV: 0 kV - Generator mA: 0 mA - Divergence slit: 0.499 ° - Antiscatter slit: 0.49Operations: Strip kAlpha2 0.500 | Background 0.000,1.000 | Import01-088-0720 (C) - Sodium Chromium Oxide - NaCrO2 - Y: 0.58 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Rhombo.H.axes - a 2.97470 - b 2.97470 - c 15.95380 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - R-3m (1600-001-1224 (D) - Vanadium - V - Y: 4.21 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.10907 - b 3.10907 - c 3.10907 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - Im-3m (229) - 2 - 30.0532 - F9= 12(0.0Peu de nouveaux picsPics difficilement identifiables (NaCrO 2, NaVO 2, …) ?Décalage et élargissement des pics de la matrice : dissolution de [O] dans matrice ?Profil µindentation à réaliser + SDLCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201211

Conclusions et Perspectives sur les alliages de VanadiumTrès forte sensibilité à l’oxygène (et au carbone ?) dans le NaFinaliser les analyses sur les échantillons de V-4Cr-4Ti oxydés dansNa:SDL + µindentation pour quantifier le profil d’OxygèneImpact [O] dans V sur propriétés mécaniques (biblio à creuser +essais ?)Comparaison avec échantillons oxydés dans HeCinétique de dissolution de [O] dans alliage V par rapport àVanadium pur ? (biblio : 5%Ti bloque la diffusion de O par 100 !)Importance de « protéger » les alliages V-4Cr-4Ti dans Na :Revêtements par « pack cementation » (Ni-TiSi 2-TiSi) : NancyGaine « triplex » : F17-V-F17CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201212

COMPOSITE SiC f -SiC mCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201213

SiC-SiC : en He-O 2 [C. CABET, B. DUPREY]Essai thermobalance fibre SiC + matriceSiC He-1000°C-1Pa -100h :Oxydation SiC (dégagement CO et CO 2) =linéaire puis croissance quasi nulle(Formation probable SiO 2compacte).Essais thermobalance de 0.02Pa à 20Pa à1100°C - 200h:SiC CVD : Oxydation avec formationprobable de SiO 2(croissance parabolique)Dans Na, on ne s’attend pas àavoir de transition actif-passif :Formation composé Na-Si-O ?CEA/DEN/DPC/SCCMESiC fibres HNS et TSA3 : OxydationPossibilité d’évaporation de SiO(g) à 0.02PaO 2.Si 0.005Pa (1000h) alors pas de formationd’oxyde mais surface rugueuse = corrosionactive.Chute des propriétés de traction aprèsoxydation mais lien pas réellement établi14

Bibliographie SiC dans NaSiCCompatibilité de différents matériaux dansle sodium liquide à 815°C [Cook1960]Très peu de données sur compatibilité chimique SiC-NaNa, 650°C, 4000h : formation de « glassy » Na 2SiO 3CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201215

Essai Na 500°C – 166 h – [O] < 10 ppmExposition de fibres Hi-Nicalon S et PyC (1 couche d’enroulementfilamentaire à 30°+ 2 couches de tresses 2D à 45°) et matrice SiC CVI :‣Composite non-endommagé‣Composite pré-endommagé après essai de traction à ruptureLavage dans eau distilléeCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201216

Essai Na 500°C – 166 h – [O] < 10 ppmÉchantillon∆m (mg)SiC/SiC +1,24SiC/SiC après traction +2,45Gain de masse plus important pour essai après traction :pénétration Na plus importante à travers fissuresCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201217

Essai Na 500°C – 166 h – [O] < 10 ppmEchantillon SiC/SiC préfissuréSiC CVI fissuréobservé en surface200 µm20 µmRiche en Na ,OFibres émergentes aucontact direct avec Na Matrice : Pénétration du Na dansles fissures pré-existantes Fibres : Présence de Na et O auniveau de fibres émergentes sur lebord de l’échantillon40 µmSiC CVI4 µmFibres SiC4 µmSiC CVICEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 2012

Conclusions et Perspectives sur les SiC-SiCTrès peu de connaissance sur leur comportement en Na : rapport biblioEssai à 550°C – [O] < 10 ppm – 360h en cours d’analyse :Composite non endommagéComposite pré-endommagéThèse J. Braun (LTMEX/LM2T/LECNA):compatibilité chimique, stabilité thermodynamique SiC-NaEssai longue durée en 2013CEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 201220

Nb-1Zr : Essai Na 500°C – 166 h – [O] < 10 ppmPerte de masse : - 8,4 mg/cm 2Forte corrosion localiséeCaractérisation MEB en surface et sur coupeEn surfaceNb-1ZrSur coupePhénoménologie similaire à V : très forte solubilité de [O], oxyde non adhérent,corrosion dépendant du débit de NaBiblio : Sur Nb 550°C[O] = 10 ppm (« piège froid ») : vitesse corrosion = 30 µm/mois[O]

Ta : Essai Na 500°C – 166 h – [O] < 10 ppmPerte de masse : -1,7 mg/cm 2 moins importante que Nb-1ZrCorrosion localisée moins marquée que pour le NbCaractérisation MEB en surface et sur coupeEn surfaceTaSur coupe

ODS 9Cr (2008) : Essai NaFin d’essais à venir prochainement 3000h, 550°C, [O] < 10 ppm 3000h, 550°C, [O] = 200 ppmCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 2012

MERCI DE VOTRE ATTENTIONCEA/DEN/DPC/SCCME Réunion GEDEPEON-MATINEX 2012