Le REDT, un précurseur des RNR-G - CEA

MÉMOELes grandes familles de matériaux nucléaires(1) Les céramiques seront employées seules ouincorporées à des composites pouvant être dutype CerCer (céramique dans une matriceégalement céramique) ou CerMet (matériaucéramique intégré dans une matricemétallique). S’agissant d’un combustiblenucléaire, c’est un mélange intime de produitsmétalliques et de composés réfractaires, leséléments fissiles étant contenus dans une seulephase ou dans les deux.Les conditions spécifiques imputablesaux rayonnements régnant dans lesréacteurs nucléaires imposent d’avoirrecours à des matériaux présentant des propriétésparticulières qui peuvent être classésen deux grandes catégories: les matériauxde gainage et de structure d’une part,et les matériaux combustiblesd’autre part.Pour les uns comme pour les autres, les sixconcepts de systèmes de quatrième générationretenus par le Forum internationalGEN IV exigent le plus souvent de privilégierdes formules innovantes (tableau p.71).Les propriétés de résistance à la température,à la pression, à la fatigue, à la chaleur,à la corrosion, souvent sous contrainte, quedoivent présenter d’une manière généraleles matériaux impliqués dans tout processindustriel doivent, dans le domaine nucléaire,être pour l’essentiel maintenues malgré leseffets de l’irradiation, imputables en particulierau flux de neutrons. L’irradiation accélèreou amplifie en effet des phénomènescomme le fluage (fluage d’irradiation) ouen crée d’autres comme le gonflement oula croissance, qui désigne une déformationanisotrope obtenue sous flux de neutronsen l’absence de toute autre sollicitation.Les matériaux de structure sont notammentsoumis au phénomène d’activationpar bombardement par les neutrons ou d’autresparticules (photons, électrons).Ceux qui entrent dans la structure des combustibles(les assemblages, les gaines ouautres plaques) sont en outre soumis à d’autrescontraintes. Enfin, le combustible luimêmeest un matériau prenant par exemple,dans les réacteurs à eau légère actuels,la forme de céramiques d’uranium et/oude plutonium frittées sous forme de pastilles.L’irradiation neutronique peut provoquerune modification importante des propriétésdes matériaux. Dans les métaux etleurs alliages, mais aussi dans d’autresmatériaux solides comme les céramiques(1) , ces changements sont liés à l’évolutiondes défauts ponctuels que cetteirradiation produit et aux atomes étrangersproduits par les réactions nucléaireset qui se substituent à l’un des atomes duréseau cristallin. La nature et le nombrede ces défauts dépendent à la fois du fluxde neutrons et de leur énergie, mais ceuxqui provoquent des évolutions structuralesnotables sont, dans les réacteurs àneutrons thermiques comme dans lesréacteurs à neutrons rapides, les neutronsrapides.Un cristal présente toujours des défauts, etl’irradiation peut en créer de nouveaux. Lesdéfauts ponctuels sont de deux types: leslacunes (un atome est chassé de son emplacementdans le cristal), et les interstitiels(un atome excédentaire se place en surnombreentre les plans du réseau cristallin).Les dislocations, qui délimitent une régionoù l’empilement du cristal est perturbé parun glissement localisé affectant un plan atomique,constituent pour leur part des sourceset des puits pour les défauts ponctuels.Les lacunes peuvent se grouper sous formed’amas lacunaires, de boucles ou de cavités,les interstitiels sous celle d’amas d’intersticielsou de boucles de dislocation. Parailleurs, les atomes de cuivre, de manganèseet de nickel d’un alliage d’acier de cuve,par exemple, tendent à se rassembler enamas (clusters) en durcissant l’acier. Enfin,les joints de grain sont des défauts qui délimitentdeux cristaux d’orientation différenteet des facteurs de fragilisation potentiels.De nombreuses propriétés du métal y sontmodifiées.Les dommages causés à ces matériaux s’exprimenten dpa (déplacements par atome),ndpa signifiant que tous les atomes du matériauont été déplacés nfois en moyenne pendantl’irradiation.Les structures cristallinesLes matériaux métalliques ont une structurecristalline: ils sont constitués de larépétition périodique dans l’espace d’unecellule élémentaire appelée maille et constituéed’atomes dont le nombre et la positionsont précisément déterminés. La répétitionde ces structures leur confère despropriétés particulières. Trois de ces structuresdéfinissant la position des atomes sontimportantes:• la structure cubique centrée (celle à l’ambiantedu fer, du chrome, du vanadium). Lesmatériaux présentent généralement unetransition en température de comportementductile/fragile.• la structure cubique à faces centrées(nickel, aluminium, cuivre, fer haute température).• la structure hexagonale (celle du zirconiumou du titane).En fonction de la température et de la composition,le métal s’organisera en cristauxélémentaires, les grains, avec différentesmicrostructures, les phases. Leur arrangementa une influence importante sur lespropriétés des métaux, en particulier desaciers. La ferrite du fer pur, à la structurecubique centrée, devient une austénite, structurecubique à faces centrées au-delà de910 °C. La martensite est une structureparticulière obtenue par une trempe qui ladurcit suivie d’un revenu qui la rend moinsfragile. La bainite est une structure intermédiaireentre la ferrite et la martensiteégalement obtenue par trempe puis revenu.Parmi les métaux, les aciers inoxydables àforte teneur en chrome (plus de 13 %), dontla résistance à la corrosion et à l’oxydationest imputable à la formation d’une pelliculed’oxyde de chrome à leur surface, se taillentla part du lion. Si l’on considère que le critèred’inoxydabilité est la teneur en chromequi doit être supérieure à 13 %, il existe troiscatégories principales : les ferritiques, lesausténitiques et les austéno-ferritiques.Les familles d’aciersLes aciers ferritiques à structure cristallinecubique centrée (F17 par exemple) ontune faible concentration de carbone (0,08 à0,20 %) et une concentration élevée dechrome. Ne contenant en général pas denickel, ce sont des alliages fer/chrome oufer/chrome/molybdène dont la teneur enchrome varie de 10,5 à 28 %: ils ne manifestentpas un durcissement appréciablelors de la trempe et ne se durcissent quepar écrouissage. Leur coefficient de dilatationest faible, ils sont très résistants à l’oxydationet adaptés aux températures élevées.Dans le nucléaire, l’acier bainitique 16MND5à bas taux de carbone et faiblement allié(1,5 % de manganèse, 1 % de nickel et 0,5 %de molybdène) occupe une place centralepuisqu’il constitue le matériau de cuve desREP français, choisi pour ses qualités à unetempérature de 290 °C et soumis à unefluence de 3·10 19 n·cm -2 pour des neutronsd’énergie supérieure au MeV.Les aciers martensitiques, qui présententune structure cristallinecubique centrée,sontdes aciers ferritiques avec moins de 13 %de chrome (9 à 12 % en général) et un maxi-