Nick Connor

Le frittage est le processus de formation et de compactage d’un matériau par pression et chaleur. Le frittage est une étape majeure dans la métallurgie des poudres et le traitement des céramiques. La force motrice du frittage est la réduction de la surface totale des particules. Les énergies de surface sont plus importantes que les énergies aux joints de grains.

Le frittage est généralement effectué en dessous de la température de fusion, de sorte qu’une phase liquide n’est normalement pas présente. Le frittage est souvent choisi comme processus de mise en forme pour les matériaux à points de fusion extrêmement élevés tels que les céramiques de tungstène, de molybdène ou de dioxyde d’uranium. Par exemple, le carbure de tungstène (WC), qui est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou et de nombreuses autres applications, est fabriqué par métallurgie des poudres, donc par frittage au stade final de la production. Un exemple très courant de frittage est la formation d’une boule de neige dure en pressant de la neige meuble ensemble.

Lors du frittage, les poudres métalliques compactées sont liées ou frittées par chauffage dans un four à une température généralement inférieure au point de fusion du constituant principal. Le frittage des métaux en poudre est un processus dans lequel des particules sous pression se lient chimiquement entre elles afin de former une forme cohérente lorsqu’elles sont exposées à une température élevée. Ce processus est connu sous le nom de frittage à l’état solide. Si la température est supérieure au point de fusion d’un composant dans la pièce en poudre métallique, le liquide des particules fondues remplit les pores. Ce type de frittage est connu sous le nom de frittage à l’état liquide.

La durée et la température de frittage sont les facteurs les plus importants d’un point de vue pratique, la température étant la variable la plus importante. Au cours de ce processus, un certain nombre de caractéristiques sont augmentées, notamment la résistance, la ductilité, la ténacité et la conductivité électrique et thermique du matériau. Si différentes poudres élémentaires sont compactes et frittées, le matériau se transformerait en alliages et en phases intermétalliques.

UO2 fritté

La plupart des REP utilisent du combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium. Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO₂ est introduit dans des matrices et pressé biaxialement sous forme de granulés cylindriques en utilisant une charge de plusieurs centaines de MPa – cela se fait dans des presses fonctionnant à grande vitesse. Ces pastilles « vertes » sont ensuite frittées dans le cylindre solide (d’une hauteur et d’un diamètre d’environ 1 centimètre, la hauteur étant supérieure au diamètre) par chauffage dans un four à environ 1 750 °C sous une atmosphère réductrice contrôlée avec précision (généralement argon-hydrogène) afin de les consolider. Cela a également pour effet de densifier les granulés. Les dimensions des pastilles de combustible et des autres composants de l’assemblage combustible sont contrôlées avec précision pour assurer la cohérence des caractéristiques du combustible. Ces pastilles sont ensuite chargées et encapsulées dans un crayon combustible (un tube de gaine métallique), qui est constitué d’alliages de zirconium

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Métallurgie

La métallurgie des poudres (PM) est une branche de la métallurgie en croissance et en évolution rapide basée sur la production de matériaux sous forme de poudres métalliques et la fabrication de pièces à partir de ces matériaux. Les procédés de métallurgie des poudres peuvent éviter ou réduire considérablement la nécessité d’utiliser des procédés d’enlèvement de métal, réduisant ainsi considérablement les pertes de rendement dans la fabrication et entraînant souvent une baisse des coûts. Le principal marché de la poudre métallique concerne les pièces complexes fabriquées par diverses technologies PM.

La métallurgie des poudres est également utilisée pour fabriquer des matériaux uniques impossibles à obtenir par fusion ou formation par d’autres moyens. Par exemple, le carbure de tungstène (WC), qui est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou et de nombreuses autres applications, est fabriqué par métallurgie des poudres.

Acier et acier inoxydable dans la métallurgie des poudres

Les matériaux pour la métallurgie des poudres couvrent une gamme d’applications très étendue. Voici des exemples de matériaux traités par métallurgie des poudres :

• Fer/acier. Les matériaux ferreux faiblement alliés issus de la métallurgie des poudres sont prédominants dans le secteur des pièces structurelles pressées/frittées. Dans le secteur automobile, qui consomme environ 80 % de la production de pièces structurelles en PM, la raison du choix du PM est, dans la majorité des cas, d’ordre économique. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
• Aciers inoxydables. Les aciers inoxydables peuvent également être traités par métallurgie des poudres. Une gamme d’aciers inoxydables des séries AISI 300 et 400 est disponible sous forme de poudre. Aussi, de nombreux types d’aciers à lames sont produits par la métallurgie des poudres. La nuance d’acier inoxydable à durcissement par précipitation, AISI 17-4 PH, est également fréquemment utilisée dans les produits MIM (moulage par injection de métal). De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, l’acier 17-4 PH offre généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Métallurgie

La métallurgie des poudres (PM) est une branche de la métallurgie en croissance et en évolution rapide basée sur la production de matériaux sous forme de poudres métalliques et la fabrication de pièces à partir de ces matériaux. Les procédés de métallurgie des poudres peuvent éviter ou réduire considérablement la nécessité d’utiliser des procédés d’enlèvement de métal, réduisant ainsi considérablement les pertes de rendement dans la fabrication et entraînant souvent une baisse des coûts. Le principal marché de la poudre métallique concerne les pièces complexes fabriquées par diverses technologies PM.

La métallurgie des poudres est également utilisée pour fabriquer des matériaux uniques impossibles à obtenir par fusion ou formation par d’autres moyens. Par exemple, le carbure de tungstène (WC), qui est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou et de nombreuses autres applications, est fabriqué par métallurgie des poudres.

Matériaux pour la métallurgie des poudres

Les matériaux pour la métallurgie des poudres couvrent une gamme d’applications très étendue. Voici des exemples de matériaux traités par métallurgie des poudres:

• Fer/acier. Les matériaux ferreux faiblement alliés issus de la métallurgie des poudres sont prédominants dans le secteur des pièces structurelles pressées/frittées. Dans le secteur automobile, qui consomme environ 80 % de la production de pièces structurelles en PM, la raison du choix du PM est, dans la majorité des cas, d’ordre économique. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.
• Aciers inoxydables. Les aciers inoxydables peuvent également être traités par métallurgie des poudres. Une gamme d’aciers inoxydables des séries AISI 300 et 400 est disponible sous forme de poudre. Aussi, de nombreux types d’aciers à lames sont produits par la métallurgie des poudres. La nuance d’acier inoxydable à durcissement par précipitation, AISI 17-4 PH, est également fréquemment utilisée dans les produits MIM (moulage par injection de métal). De toutes les nuances d’acier inoxydable disponibles, l’acier 17-4 PH offre généralement la meilleure combinaison de haute résistance associée à une excellente ténacité et résistance à la corrosion. Ils sont aussi résistants à la corrosion que les nuances austénitiques. Les utilisations courantes sont dans l’aérospatiale et certaines autres industries de haute technologie.
• Alliages de cuivre. Les alliages de cuivre peuvent être transformés en pièces structurelles PM. Ceux-ci peuvent utiliser des poudres entièrement pré-alliées ou des mélanges élémentaires. Les poudres de bronze peuvent être transformées en roulements autolubrifiants.
• Alliages d’aluminium. Les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium dépendent fortement de leur composition de phase et de leur microstructure. Une résistance élevée peut être obtenue entre autres par l’introduction d’une fraction volumique élevée de particules fines de seconde phase réparties de manière homogène et par un affinement de la taille des grains. La métallurgie des poudres permet de préparer des matériaux à grains fins avec une solubilité solide accrue qui sont des précurseurs favorables pour un renforcement ultérieur de la précipitation. L’atomisation au gaz a été utilisée pour la préparation des poudres. Une gamme de poudres d’alliages d’aluminium est disponible pour le traitement de la métallurgie des poudres par pressage/frittage de la métallurgie des poudres ou MIM. Les applications de l’aluminium dans la métallurgie des poudres sont généralement axées sur les applications aérospatiales, l’accent étant mis sur les composites pleine densité en tant qu’éléments structuraux. L’alliage métallique en poudre est généralement basé sur les alliages d’aluminium des séries 2000 et 6000 et contient du cuivre, du magnésium et/ou du silicium. Les composants automobiles structurels fabriqués à l’aide de techniques PM ont connu une forte adoption au cours des dernières décennies en raison de la rentabilité, des capacités de volume élevé et du post-traitement limité nécessaire pour les pièces PM. De nombreux composants de moteur sont fabriqués à l’aide de particules telles que les bielles, les chapeaux de came, les poulies d’entraînement et les dispositifs de distribution.
• Alliages de molybdène. L’alliage à base de molybdène le plus courant est l’alliage titane-zirconium-molybdène TZM, composé de 0,5 % de titane et de 0,08 % de zirconium (le reste étant le molybdène). Il est généralement fabriqué par la métallurgie des poudres ou des procédés de coulée à l’arc. L’alliage présente une résistance au fluage et une résistance à haute température plus élevées, ce qui permet des températures de service supérieures à 1060 °C pour le matériau.
• Alliages de titane. L’utilisation d’alliages de titane dans la métallurgie des poudres n’a cessé d’augmenter en raison de la viabilité et de la réduction des coûts de production de pièces de forme presque nette avec un post-traitement limité. Cela les a amenés à être au centre de la recherche et du développement dans le monde entier. Les poudres de titane et d’alliages de titane sont disponibles sous plusieurs formes. L’utilisation limitée de la métallurgie des poudres de titane pressées/frittées a généralement utilisé la poudre de titane HDH (hydrure-déshydrure). Les propriétés mécaniques du titane Ti-6Al-4V comme d’autres alliages PM dépendent de la porosité, de la microstructure et de la teneur en oxygène dans l’alliage post-fritté et pré-fritté. Niveau 5 – Ti-6Al-4V est nettement plus résistant que le titane commercialement pur (grades 1 à 4) en raison de sa possibilité d’être traité thermiquement. Cette nuance est une excellente combinaison de résistance, de résistance à la corrosion, de soudure et de fabricabilité C’est le premier choix pour de nombreux domaines d’applications

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Métallurgie

Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) sont une série de nouveaux concepts de combustibles nucléaires, étudiés afin d’améliorer les performances du combustible pendant le fonctionnement normal, les conditions transitoires et les scénarios d’accident, tels que les accidents de perte de réfrigérant (LOCA) ou les accidents déclenchés par la réactivité (RIA). Suite à l’accident de Fukushima Daiichi, une revue du comportement du combustible a été initiée. Le combustible gainé d’ alliage de zirconium  fonctionne avec succès jusqu’à un taux de combustion élevé et est le résultat de 40 ans de développement et d’amélioration continus. Cependant, dans des conditions d’accident grave, l’interaction zirconium-vapeur à haute température peut être une source majeure de dommages à la centrale.

Ces mises à niveau incluent:

• additifs spécialement conçus pour les pastilles de combustible standard destinés à améliorer diverses propriétés et performances
• revêtements robustes appliqués à l’extérieur des revêtements standards destinés à réduire la corrosion, à augmenter la résistance à l’usure et à réduire la production d’hydrogène dans des conditions de haute température (accidentelles)
• développement de conceptions de combustibles entièrement nouvelles avec revêtement en céramique et différents matériaux combustibles

La gaine de combustible actuelle est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. Il empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Le gainage constitue l’une des barrières dans l’approche de «défense en profondeur», par conséquent, sa capacité de refroidissement est l’un des aspects clés de la sécurité.

Référence spéciale: Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Avantages du carburant résistant aux accidents

Le carburant tolérant aux accidents (ATF) peut:

• supporter la perte de refroidissement actif dans un cœur de réacteur beaucoup plus longtemps que le combustible actuel
• élargir la marge de sûreté existante pour les centrales nucléaires
• améliorer les performances des centrales nucléaires avec un combustible qui dure plus longtemps
• réduire les coûts d’exploitation et de maintenance pour répercuter les économies sur les consommateurs d’électricité.

Temps d’adaptation

Pour un scénario d’accident donné, le «temps d’adaptation du combustible» est le laps de temps qui s’écoule entre le départ du fonctionnement normal et le moment où se produit une perte de géométrie importante des assemblages combustibles, telle que le cœur du réacteur ne peut plus être refroidi ou que le combustible ne peut plus être refroidi. être retiré du réacteur à l’aide des outils et des procédures actuellement disponibles. Les concepts ATF proposés visent à réduire les risques d’accidents graves (SA) en augmentant le temps d’adaptation dont disposent les opérateurs pour réagir en cas d’accident, en réduisant l’étendue et le taux de production de chaleur et d’hydrogène à partir de l’oxydation à la vapeur à haute température (HT), ou en réduisant les conséquences des accidents graves en améliorer la rétention des produits de fission (PF).

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Carburant résistant aux accidents

Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) sont une série de nouveaux concepts de combustibles nucléaires, étudiés afin d’améliorer les performances du combustible pendant le fonctionnement normal, les conditions transitoires et les scénarios d’accident, tels que les accidents de perte de réfrigérant (LOCA) ou les accidents déclenchés par la réactivité (RIA). Suite à l’accident de Fukushima Daiichi, une revue du comportement du combustible a été initiée. Le combustible gainé d’ alliage de zirconium fonctionne avec succès jusqu’à un taux de combustion élevé et est le résultat de 40 ans de développement et d’amélioration continus. Cependant, dans des conditions d’accident grave, l’interaction zirconium-vapeur à haute température peut être une source majeure de dommages à la centrale.

Ces mises à niveau incluent:

• additifs spécialement conçus pour les pastilles de combustible standard destinés à améliorer diverses propriétés et performances
• revêtements robustes appliqués à l’extérieur des revêtements standards destinés à réduire la corrosion, à augmenter la résistance à l’usure et à réduire la production d’hydrogène dans des conditions de haute température (accidentelles)
• développement de conceptions de combustibles entièrement nouvelles avec revêtement en céramique et différents matériaux combustibles

La gaine de combustible actuelle est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. Il empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Le gainage constitue l’une des barrières dans l’approche de «défense en profondeur», par conséquent, sa capacité de refroidissement est l’un des aspects clés de la sécurité.

Référence spéciale: Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Oxydation des alliages de zirconium

L’ oxydation des alliages de zirconium est l’un des procédés les plus étudiés dans toute l’industrie nucléaire. Alors que bon nombre de ces rapports sont rédigés pour traiter de la réaction du combustible et de la vapeur avec les alliages de zirconium dans le cas d’un accident nucléaire, il existe encore un nombre important de rapports traitant de l’oxydation des alliages de zirconium à des températures modérées d’environ 800 K et moins. L’agent agressif à cet égard est l’eau du circuit primaire, à une température d’environ 300 °C. Celle-ci oxyde le zirconium selon la réaction:

Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂

entraînant la formation d’oxyde solide à la surface du métal. En résumé, en l’absence d’irradiation neutronique, l’oxydation globale du zirconium et de ses alliages est assez bien connue. Le taux d’oxydation dépend de la pression de l’oxygène ou de la vapeur d’eau et évolue approximativement avec la pression à la puissance 1/6. La dépendance du taux d’oxydation R à la température et à la pression peut être exprimée comme suit:

R = 13,9 · P^1/6 · exp ( −1,47 / k_B T )

La vitesse d’oxydation R est ici exprimée en gramme/(cm² .seconde); P est la pression dans l’atmosphère, c’est-à-dire le facteur P ^1/6 = 1 à pression ambiante ; l’énergie d’activation est de 1,47 eV; k_B est la constante de Boltzmann (8,617×10⁻⁵ eV/K) et T est la température absolue en kelvins.

L’amélioration du taux d’oxydation en présence de neutrons rapides dépend de l’intensité des neutrons, de la température, de la chimie de l’eau, de l’oxygène dissous dans l’eau et de l’épaisseur de la couche d’oxyde. Une partie de l’hydrogène ainsi généré s’incorpore dans la matrice métallique, migrant sous l’effet du gradient thermique pour s’accumuler dans les régions les moins chaudes, formant des hydrures susceptibles de fragiliser la gaine, lors du refroidissement du combustible. Les deux procédés, oxydation et hydruration, sont ainsi intimement liées.

L’alliage le plus couramment utilisé, à ce jour, dans les REP, est le Zircaloy 4, mais il est actuellement remplacé par de nouveaux alliages à base de zirconium-niobium, présentant une meilleure résistance à la corrosion. La température maximale à laquelle les alliages de zirconium peuvent être utilisés dans les réacteurs refroidis à l’eau dépend de leur résistance à la corrosion. Les alliages de type Zircalloy, dans lesquels l’étain est l’élément d’alliage de base qui permet d’améliorer leurs propriétés mécaniques, ont une large diffusion dans le monde. Cependant, dans ce cas, la diminution de la résistance à la corrosion dans l’eau et la vapeur a eu lieu, ce qui a entraîné la nécessité d’un alliage supplémentaire. L’amélioration apportée par le niobium additif implique probablement un mécanisme différent.

A haute température, la réaction exothermique des alliages à base de Zr avec la vapeur est beaucoup plus intense et dangereuse pour la sûreté des centrales nucléaires lors d’accidents comme un accident de perte de caloporteur (LOCA). Le principal problème de l’oxydation à haute température est que la gaine de zirconium réagit rapidement avec la vapeur d’eau à haute température. La cinétique d’oxydation des alliages de zirconium concernés semble être parabolique dans la plage de température de 1000-1500 °C pour de nombreux alliages à base de Zr. Au-dessus de 1577 °C, la couche d’oxyde passe de tétragonale à cubique et le taux d’oxydation augmente même. De plus, l’oxydation du zirconium par l’eau s’accompagne d’ un dégagement d’hydrogène gazeux. Cette oxydation est accélérée à haute température, par exemple à l’intérieur d’un coeur de réacteur si les assemblages combustibles ne sont plus entièrement recouverts d’eau liquide et insuffisamment refroidis. Le zirconium métallique est ensuite oxydé par de l’eau/vapeur pour former de l’hydrogène gazeux selon la réaction redox suivante:

Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂   (Q = 190 kJ/mol; Baker et Just)

Au-dessus d’environ 800 °C , il y a une transformation de phase de la phase α hexagonale (HCP) à la phase β cubique (BCC). L’oxygène, qui se diffuse dans le métal restant, stabilise la phase α. Avec le refroidissement, la phase β se retransformera en phase α dans laquelle la concentration en oxygène est significativement différente de celle de l’α stabilisé à l’oxygène et du « β antérieur ». Le problème est que ces transitions de phase rendent ce matériau très cassant. Par conséquent, il existe également trois critères de licence LOCA actuels (selon 10 CFR 50.46 – ECCS Acceptance Criteria for LWR) pour prévenir les défaillances du combustible (il peut échouer lors du remouillage lors de l’introduction du refroidissement d’urgence du cœur dans un accident de réacteur, ou échouer par surcharge sous des fissures d’oxyde) en raison de la fragilisation par l’oxygène et l’hydrogène.

Avantages du carburant résistant aux accidents

Le carburant tolérant aux accidents (ATF) peut:

• supporter la perte de refroidissement actif dans un cœur de réacteur beaucoup plus longtemps que le combustible actuel
• élargir la marge de sûreté existante pour les centrales nucléaires
• améliorer les performances des centrales nucléaires avec un combustible qui dure plus longtemps
• réduire les coûts d’exploitation et de maintenance pour répercuter les économies sur les consommateurs d’électricité.

Temps d’adaptation

Pour un scénario d’accident donné, le «temps d’adaptation du combustible» est le laps de temps qui s’écoule entre le départ du fonctionnement normal et le moment où se produit une perte de géométrie importante des assemblages combustibles, telle que le cœur du réacteur ne peut plus être refroidi ou que le combustible ne peut plus être refroidi. être retiré du réacteur à l’aide des outils et des procédures actuellement disponibles. Les concepts ATF proposés visent à réduire les risques d’accidents graves (SA) en augmentant le temps d’adaptation dont disposent les opérateurs pour réagir en cas d’accident, en réduisant l’étendue et le taux de production de chaleur et d’hydrogène à partir de l’oxydation à la vapeur à haute température (HT), ou en réduisant les conséquences des accidents graves en améliorer la rétention des produits de fission (PF).

Types de carburants tolérants aux accidents

Revêtement de carburant avancé

Alors que les conceptions actuelles de combustible nucléaire ont très bien fonctionné dans des conditions normales de centrale, les conceptions de combustible nucléaire existantes peuvent être remises en question lorsqu’elles sont soumises à des scénarios d’accident grave hors dimensionnement. Dans de telles conditions, la perte à long terme de caloporteur et les températures élevées du combustible qui en résultent peuvent conduire à la dégradation de la gaine du combustible et à la libération précoce de produits de fission.

Les concepts ATF proposés visent à réduire les risques d’accidents graves (SA) en augmentant le temps d’adaptation dont disposent les opérateurs pour réagir en cas d’accident, en réduisant l’étendue et le taux de production de chaleur et d’hydrogène à partir de l’oxydation à la vapeur à haute température (HT), ou en réduisant les conséquences des accidents graves en améliorer la rétention des produits de fission (FP). Les attributs souhaités pour un matériau de revêtement ATF pratique sont assez rigoureux. En plus de bonnes propriétés de matériau à haute température, le matériau candidat doit être compatible avec les conceptions actuelles de combustible/cœur et fournir un fonctionnement économique, y compris une bonne neutronique. De plus, d’un point de vue opérationnel, il doit être hautement fiable, résistant à la corrosion et présenter une faible fragilisation à des taux de combustion élevés.

Selon le rapport de l’AEN, cinq classes différentes de conceptions de revêtement ont fait l’objet de l’examen:

• Alliages Zr revêtus et améliorés,
• Aciers avancés,
• Métaux réfractaires,
• Bardages SiC et SiC/SiC-composite
• composants non combustibles tels que les boîtiers de canaux SiC/SiC ou les barres de commande à tolérance d’accident (ATCR).

Granulés de carburant avancés

 Selon le rapport de la NEA, les conceptions de combustibles couvertes par le groupe de travail sur les conceptions avancées de combustibles consistent en trois concepts différents:

• Combustible UO2 amélioré. En ce qui concerne le combustible UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que l’UO2 dopé à l’oxyde et l’UO2 à haute conductivité thermique (conçu en ajoutant un dopant métallique ou céramique).
• Combustible à haute densité.
• Combustible encapsulé (pastilles composites TRISO-SiC).

Alliages Zr revêtus et améliorés

Les concepts ATF améliorés devraient soit atténuer l’oxydation rapide côté eau de la gaine pendant les transitoires à haute température dans la vapeur et/ou le mélange vapeur/air, soit réduire la température du combustible et le dégagement de gaz de fission (FGR) pendant le fonctionnement normal en améliorant les propriétés de transport de chaleur du combustible. Ainsi, l’objectif principal de la mise en œuvre de revêtements sur la surface des gaines en alliage de zirconium était de fournir une barrière à l’oxydation à la vapeur HT pour réduire considérablement la chaleur et l’hydrogène produits par rapport aux alliages de zirconium non revêtus. Ainsi, le concept de revêtement ATF idéal devrait avoir une cinétique d’oxydation à la vapeur à haute température considérablement réduite, ce qui entraînerait une augmentation du temps d’adaptation par rapport aux alliages standard à base de Zr. L’ATF idéal devrait également avoir une résistance mécanique plus élevée à haute température pour maintenir une géométrie refroidissable.

Les revêtements étudiés jusqu’à présent se répartissent globalement en deux catégories:

• Revêtements métalliques
  • Revêtement enduit de Cr. Les revêtements revêtus de Cr et les autres revêtements métalliques réduisent considérablement les taux d’oxydation à haute température.
• Revêtements céramiques

Revêtement de combustible revêtu de chrome

Le chrome est l’un des éléments de revêtement possibles pour les carburants tolérants aux accidents. Le revêtement en zirconium revêtu de Cr et d’autres revêtements à revêtement métallique réduisent considérablement les taux d’oxydation à haute température. L’épaisseur du revêtement est généralement comprise entre 20 et 30 mm. Tous les matériaux de revêtement étudiés (Cr, FeCrAl, Cr-Al, CrN) sont plus durs que les alliages de zirconium, donc si le revêtement est suffisamment épais (> 30 μm), les propriétés mécaniques seront modifiées avec une résistance accrue et une ductilité réduite. La dureté accrue des matériaux de revêtement présente l’avantage de protéger potentiellement le revêtement contre le frottement et l’usure. Par conséquent, le revêtement Cr peut réduire considérablement le risque de dommages au revêtement dus aux débris ou au fretting grille-tige.

Mais le principal avantage est que la gaine revêtue hérite de tous les avantages des propriétés du matériau de base en zirconium, mais améliore sa résistance à l’oxydation et à la corrosion, tant en fonctionnement normal qu’en conditions accidentelles. Selon plusieurs enquêtes, le revêtement revêtu de Cr présente une résistance post-trempe et une ductilité résiduelle considérablement accrues. L’effet de renforcement de la gaine revêtue de Cr observé à haute température est bénéfique en ce qu’il retarde le temps de rupture et préserve mieux la géométrie refroidissable du canal de combustible nucléaire en atténuant le blocage de l’écoulement. De plus, la corrosion des alliages de zirconium revêtus de Cr est réduite à près de zéro, diminuant ainsi également l’absorption d’hydrogène par la gaine. La gaine ne présentera donc pas de fragilisation par l’hydrogène,

Revêtement de combustible revêtu de céramique

Revêtements céramiques comprenant des oxydes, des carbures et des nitrures, et des revêtements composites ou multicouches. Les revêtements céramiques nitrurés sont utilisés pour durcir les matériaux et améliorer leur comportement à l’usure, en particulier TiN et TiAlN. De plus, le CrN est également utilisé pour la protection contre la corrosion. Les revêtements céramiques sont beaucoup plus fragiles que les revêtements métalliques et donc plus susceptibles de subir des fissures et des dommages. L’un des principaux inconvénients des revêtements céramiques est la dissolution des revêtements contenant de l’Al (TiAlN, CrAlN et, dans une moindre mesure, FeCrAl).

Aciers avancés

Les alliages FeCrAl sont principalement constitués de fer, de chrome (20 à 30 %) et d’aluminium (4 à 7,5 %). Ces alliages sont connus sous la marque Kanthal, qui est une famille d’alliages fer-chrome-aluminium (FeCrAl) utilisés dans une large gamme d’applications de résistance et à haute température. FeCrAl est très résistant à la corrosion en raison de la formation d’un oxyde mince riche en aluminium, Al₂O₃.

L’ATF à base de FeCrAl utilise un matériau d’alliage FeCrAl comme revêtement de barre de combustible en combinaison avec des pastilles de combustible de dioxyde d’uranium (UO2) actuellement utilisées. Les barres de combustible revêtues d’alliage FeCrAl (avec du combustible UO2) semblent présenter des propriétés qui satisfont ou dépassent les exigences techniques actuelles de conception du combustible (avec les exceptions indiquées ci-dessous) tout en offrant un avantage accru en matière de sécurité lors d’événements de référence et de conditions d’accident grave. Le principal avantage du concept par rapport au Zircaloy est sa cinétique d’oxydation nettement plus lente jusqu’à 1773 K (1500 °C). Les alliages FeCrAl ont une résistance mécanique similaire ou supérieure à celle du zircaloy, avec des caractéristiques d’élasticité plastique (gonflement) et de perforation similaires ou meilleures que les alliages de zirconium.

Les gaines combustibles à base de FeCrAl présentent deux inconvénients principaux :

• Augmentation de l’absorption des neutrons parasites. En raison de l’augmentation de la section transversale d’absorption des neutrons du fer.
• Rejets de tritium. Il y a une augmentation potentielle des rejets de tritium dans le caloporteur du réacteur. Le tritium est produit sous forme de produit de fission (PF). FeCrAl ne réagit pas avec l’hydrogène pour former des hydrures stables de la même manière qu’un alliage à base de zirconium, ce qui entraîne une plus grande perméabilité du tritium à travers la gaine vers le caloporteur du réacteur.

Métaux réfractaires pour la gaine de combustible

Les métaux et alliages réfractaires sont bien connus pour leur extraordinaire résistance à la chaleur et à l’usure. La condition essentielle pour résister aux températures élevées est un point de fusion élevé et des propriétés mécaniques stables (par exemple une dureté élevée) même à des températures élevées. Les métaux réfractaires les plus courants comprennent cinq éléments : le niobium et le molybdène de la cinquième période et le tantale, le tungstène et le rhénium de la sixième période. Ils partagent tous certaines propriétés, notamment un point de fusion supérieur à 2000 °C et une dureté élevée à température ambiante. Une mauvaise fabricabilité à basse température et une oxydabilité extrême à haute température sont les principaux inconvénients de la plupart des métaux réfractaires. L’application de ces métaux nécessite une atmosphère ou un revêtement protecteur.

Revêtement en molybdène doublé d’alliage Zr

En 2012, l’EPRI a lancé un projet de recherche indépendant avec des conceptions d’alliage de molybdène revêtu en tant que revêtement ATF pour obtenir une résistance aux accidents dans une plage de températures de 1 200 à 1500 °C. Le molybdène (Mo) est un candidat en raison de son point de fusion très élevé (2623 °C) et de sa résistance élevée aux températures élevées. Dans le même temps, le Mo et ses alliages sont connus pour être sensibles à la formation de MoO3 volatil dans des environnements oxydants à des températures > 600 °C. Par conséquent, ce programme de recherche utilise une conception composite dans laquelle le revêtement en alliage de Mo est recouvert d’un revêtement protecteur extérieur en alliage de Zr ou en alliage contenant de l’Al.

La gaine Mo revêtue d’alliage de Zr devrait posséder une résistance suffisante à la corrosion et à l’hydruration pour la limite actuelle de combustion du combustible et au-delà. Les revêtements duplex entièrement métalliques Mo-Zr et Mo-FeCrAl devraient atteindre la tolérance aux accidents en formant un oxyde protecteur lors d’un accident. Le mince revêtement d’alliage de Zr sera complètement oxydé en ZrO₂ lorsque la température atteindra 1000 °C ou plus. Avec un alliage approprié, le ZrO ₂ conservera son intégrité et sa stabilité et fournira une protection à l’alliage Mo sous-jacent. Un mince revêtement FeCrAl est très résistant à la corrosion dans les liquides de refroidissement LWR en raison de la formation d’un oxyde protecteur riche en chrome, principalement Cr₂O₃. Dans la vapeur à haute température, FeCrAl est très résistant à la corrosion en raison de la formation d’un mince oxyde riche en aluminium, Al₂O₃. Les alliages FeCrAl sont principalement constitués de fer, de chrome (20 à 30 %) et d’aluminium (4 à 7,5 %). Ces alliages sont connus sous la marque Kanthal, qui est une famille d’alliages fer-chrome-aluminium (FeCrAl) utilisés dans une large gamme d’applications de résistance et à haute température.

Le molybdène est très résistant à l’oxydation dans la vapeur de haute pureté ou réductrice. Par conséquent, la gaine de molybdène doublée devrait maintenir une bonne intégrité en cas d’entrée de vapeur dans une barre de combustible défaillante, ainsi que dans le cadre d’un APRP de référence. Dans le cas où le revêtement extérieur est retiré localement, par exemple en raison d’un frottement grille-tige, une corrosion localisée du revêtement en molybdène peut se produire.

Bardages SiC et SiC/SiC-composite

Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. En plus de la dureté, les cristaux de carbure de silicium ont des caractéristiques de rupture qui les rendent extrêmement utiles dans les meules. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires.

Dans l’industrie nucléaire, le matériau composite en carbure de silicium a été étudié pour remplacer le revêtement en alliage de zirconium dans les réacteurs à eau légère. Les céramiques à base de carbure de silicium (SiC) et leurs composites ont des propriétés supérieures à haute température (HT), une excellente résistance à l’irradiation, une faible activation inhérente et d’autres propriétés physiques/chimiques supérieures. Le composite est constitué de fibres SiC enroulées autour d’une couche interne SiC et entourées d’une couche externe SiC. Des problèmes ont été signalés avec la possibilité de joindre les pièces du composite SiC.

Le revêtement SiC est destiné à fournir des améliorations révolutionnaires de la marge de sécurité. Le revêtement SiC réagit de plusieurs ordres de grandeur plus lentement avec l’eau et la vapeur que le zirconium à des températures critiques (supérieures à 800 °C), ce qui entraîne une génération minimale de chaleur et d’hydrogène dans les scénarios d’accident hors dimensionnement. Les gaines composites SiC et les composants combustibles devraient fournir d’excellentes caractéristiques de sécurité passive à la fois dans les accidents de référence et dans les conditions d’extension de conception des accidents graves (AS). De plus, les composites SiC/SiC devraient offrir des avantages supplémentaires par rapport aux alliages Zr, tels qu’une section efficace d’absorption des neutrons réduite permettant un enrichissement en uranium plus faible. La combinaison de ces caractéristiques attrayantes fait des composites SiC l’un des principaux candidats pour les structures de gaine et de cœur de combustible des réacteurs à eau légère tolérantes aux accidents.

Les gaines composites SiC/SiC présentent trois inconvénients principaux:

• Fabrication. La fabrication de gaines combustibles minces nécessite des développements supplémentaires. Une technologie d’assemblage des bouchons d’extrémité avec une étanchéité au gaz et une résistance adéquate devrait également être développée car les céramiques SiC ne peuvent pas être soudées.
• Rejets de tritium. Il y a une augmentation potentielle des rejets de tritium dans le caloporteur du réacteur. Le tritium est produit sous forme de produit de fission (PF). Le SiC ne réagit pas avec l’hydrogène pour former des hydrures stables de la même manière qu’un alliage à base de zirconium, ce qui entraîne une plus grande perméabilité du tritium à travers la gaine vers le caloporteur du réacteur. Le choix d’utiliser un matériau de revêtement approprié pourrait aider à atténuer ce problème.
• SiC/SiC a une conductivité thermique nettement inférieure à celle des alliages de zirconium. Ce fait a une influence négative sur les températures centrales des granulés ainsi que sur le temps d’adaptation.

L’un des revêtements composites SiC possibles a été développé par General Atomics et est connu sous le nom de composite carbure de silicium (SiC) SiGA™, dans lequel le matériau de la matrice SiC est renforcé avec une fibre SiC flexible de la même manière que les barres d’armature en acier renforcent le béton. Cela crée un matériau extrêmement dur et durable qui peut résister aux conditions de réacteur les plus difficiles.

Barres de commande tolérantes aux accidents – ATCR

Les barres de contrôle sont un système de sécurité important des réacteurs nucléaires. Leur action rapide et la réponse rapide du réacteur sont indispensables. Les barres de contrôle sont utilisées pour maintenir l’état souhaité des réactions de fission dans un réacteur nucléaire (état sous-critique, état critique, changements de puissance). Elles constituent un élément clé d’un système d’arrêt d’urgence (SCRAM) .

Les barres de contrôle sont des barres, des plaques ou des tubes contenant un matériau absorbant les neutrons (matériau à forte section d’absorption des neutrons thermiques) tel que le bore, l’hafnium, le cadmium, etc., utilisé pour contrôler la puissance d’un réacteur nucléaire. En absorbant les neutrons, une barre de contrôle empêche les neutrons de provoquer d’autres fissions.

Les barres de commande constituent généralement des ensembles de barres de commande en grappe (REP) et sont insérées dans des tubes de guidage à l’intérieur d’un assemblage de combustible nucléaire. Le matériau absorbant (par exemple des pastilles de carbure de bore ou d’alliage Ag-In-Cd) est protégé par le revêtement généralement en acier inoxydable.

Néanmoins, le point de fusion de l’alliage Ag-In-Cd (~790 °C), la température eutectique du carbure de bore (B4C) et du Fe (~1150 °C) et la température eutectique du Fe et du Zr (~950 °C) sont inférieurs à la température (≳1 200) à laquelle la gaine de combustible en alliage de Zr commence à s’oxyder intensément dans des conditions d’accident grave. Ainsi, il est possible que les barres de commande fondent et s’effondrent avant que le cœur du réacteur ne soit significativement endommagé en cas d’accident grave.

Les caractéristiques inhérentes suivantes sont requises dans les barres de commande tolérantes aux accidents:

• La valeur de réactivité de l’ATCR doit être comparable ou supérieure à celle de la CR conventionnelle.
• Les matériaux absorbant les neutrons utilisés dans l’ATCR doivent avoir un point de fusion suffisamment élevé et une température eutectique élevée avec gaine pour empêcher la rupture des CR avant une défaillance importante des barres de combustible lors d’un accident grave, évitant ainsi une recriticité incontrôlable même si de l’eau non borée est injectée pour le refroidissement d’urgence. du noyau.

L’idée principale est de remplacer les matériaux conventionnels absorbant les neutrons par des matériaux céramiques appropriés qui satisfont aux exigences ci-dessus. Le candidat d’un nouveau matériau absorbant pour l’ATC comprend le gadolinia (Gd2O3), le samaria (Sm2O3), l’europia (Eu2O3), la dysprosie (Dy2O3), l’hafnia (HfO2). Le point de fusion de ces matériaux et la température de liquéfaction avec Fe sont supérieurs à la température d’oxydation rapide de l’alliage de zirconium.

Combustible UO2 amélioré

La plupart des REP utilisent du combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium. Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO ₂ est pressé en pastilles 10, ces pastilles sont ensuite frittées dans le cylindre plein (d’une hauteur, et d’un diamètre d’environ 1 centimètre, la hauteur étant supérieure au diamètre).

En ce qui concerne le carburant UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que:

• UO2 dopé. Les attributs souhaitables des pastilles de combustible tolérantes aux accidents (ATF) comprennent l’amélioration de la rétention des produits de fission (FP) et la minimisation de l’interaction pastille-gaine. Selon les propositions de Westinghouse, la pastille UO₂ dopée à l’oxyde de chrome (Cr₂O₃) et à l’alumine (Al₂O₃), connue sous le nom de notre pastille ADOPT, atteint une plus grande efficacité de l’uranium grâce à:
  • Densité accrue de matière fissile
  • Un taux de fluage plus élevé que l’UO2 standard à haute température
  • Une plus grande stabilité thermique
  • Réduction du lessivage en cas de fuite d’une barre de combustible
  • Réduction des rejets de gaz de fission dans un scénario transitoire
• Haute conductivité thermique UO2 (conçu par ajout de dopant métallique ou céramique). Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. La conductivité thermique est l’un des paramètres qui déterminent la température centrale du carburant. Cette faible conductivité thermique peut entraîner une surchauffe localisée dans l’axe du carburant et cette surchauffe doit donc être évitée. Le concept de combustible cermet (céramique-métallique) pour les REO est considéré. Avec une faible fraction volumique d’additif métallique hautement conducteur, les pastilles de combustible CERMET présentent une conductivité plus élevée que les pastilles standard UO₂, abaissant la température du combustible dans des conditions normales de fonctionnement et augmentant les marges vis-à-vis de la fusion du combustible en cas d’accident.

Carburant à haute densité

La plupart des matériaux métalliques proposés comme gainage pour réduire l’oxydation à la vapeur présentent des pénalités de réactivité assez importantes par rapport aux gaines traditionnelles à base de Zr. Ces pénalités peuvent être compensées soit par une augmentation de l’ enrichissement en ²³⁵U et/ou par une diminution de la durée du cycle. Pour compenser cela sans les concessions précédentes, la densité fissile dans la pastille doit être augmentée. La densité fissile peut être augmentée de plusieurs manières. Une manière possible est d’augmenter la densité du matériau, et une autre consiste à augmenter le rapport métal sur non-métal dans les combustibles composés de métal.

Il existe plusieurs conceptions proposées de combustible à haute densité, mais il faut noter que tous les combustibles à haute densité sont loin d’être prêts à être utilisés comme combustibles dans des réacteurs commerciaux à eau légère. Les notions incluent:

• Combustibles nitrurés
• Combustibles siliciures
• Combustibles au carbure
• Carburants métalliques

Carburant de siliciure d’uranium

Le siliciure d’uranium est un composé inorganique de l’uranium. Il s’agit de l’une des conceptions possibles de matériaux de pastilles de combustible tolérants aux accidents proposés. Les avantages sont un pourcentage plus élevé d’uranium et une conductivité thermique plus élevée. Avec une densité de siliciure d’uranium de 12,2 g/cm³ (vs.), le siliciure d’uranium (U3Si2) offre un coup de pouce dans l’économie du combustible. Le dioxyde d’uranium a une densité de 10,97 g/cm³. De plus, il y a un surplus de sa composition stechiométrique. Au final, il y a environ 17% de densité d’uranium supérieure à celle du dioxyde d’uranium. Un remplacement direct de UO₂ par U₃Si₂ devrait permettre à un réacteur de générer plus d’énergie à partir d’un ensemble de crayons combustibles et également fournir plus de « temps d’adaptation » en cas d’accidents graves. Sa conductivité thermique (~8,5 W/mK à 300 K) est nettement supérieure à celle du dioxyde d’uranium aux températures de fonctionnement, et elle augmente en fonction de la température (la conductivité thermique du dioxyde d’uranium diminue en fonction de la température). Cette conductivité thermique compense son point de fusion inférieur de sorte que les marges de fonctionnement et de sécurité du combustible sont améliorées.

Westinghouse, le Laboratoire national de l’Idaho (INL) et le Laboratoire national de Los Alamos ont commencé à développer et à fabriquer du siliciure d’uranium et ses combustibles composites dans le cadre du programme de combustible tolérant aux accidents du DOE. Les performances thermiques améliorées de l’U₃Si₂ par rapport au combustible UO₂ permettent la mise en œuvre d’un gainage plus avancé tel qu’un composite SiC-SiC, qui, outre les avantages opérationnels et de sécurité attendus, offre également une économie de neutrons supérieure et des économies supplémentaires sur les coûts du cycle du combustible. par rapport aux revêtements à base de Zr.

Carburant encapsulé – Pastilles composites TRISO-SiC

TRISO, TRI-structurel ISO-tropique, est un type de microparticule de combustible, qui se compose de noyaux porteurs de matière fissile qui sont recouverts de plusieurs couches de carbone poreux ou dense et de carbure de silicium. Historiquement, les particules TRISO ont été utilisées dans des éléments combustibles constitués de galets sphériques ou de blocs prismatiques hexagonaux avec du graphite utilisé comme matrice et revêtement pour l’élément combustible. Chaque particule agit comme son propre système de confinement grâce à ses couches à triple revêtement. Cela leur permet de retenir les produits de fission dans toutes les conditions du réacteur. Les particules TRISO peuvent résister à des températures extrêmes bien au-delà du seuil des combustibles nucléaires actuels. Pastilles composites TRISO-SiC sont constitués de particules de combustible TRISO noyées dans une matrice de SiC. L’utilisation de SiC comme matrice au lieu de graphite améliore la tolérance aux rayonnements de la matrice de combustible tout en améliorant la rétention de FP. Le combustible composite TRISO-SiC est généralement appelé combustible entièrement céramique microencapsulé (FCM).

Selon le rapport de l’AEN, le combustible TRISO-SiC est conçu comme un concept prometteur à moyen terme pour remplacer les pastilles de combustible UO2 actuelles. Il présente des caractéristiques de sécurité potentiellement supérieures par rapport aux autres formes de carburant en raison de ses multiples barrières à la dispersion des PF, de sa stabilité mécanique élevée et de sa bonne conductivité thermique. Une faible densité de charge en matière fissile est l’enjeu majeur de ce concept. Afin d’augmenter la charge fissile, la combinaison de l’enrichissement de l’uranium jusqu’à la limite supérieure pratique de l’UFE (~ 19,7 % de 235-U), l’augmentation de la fraction volumique noyau-particule et de la fraction de garnissage TRISO, et l’élargissement du diamètre de l’axe de combustible a été proposé.

Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires. Dans l’industrie nucléaire, le matériau composite en carbure de silicium a été étudié pour remplacer le revêtement en alliage de zirconium dans les réacteurs à eau légère. Les céramiques à base de carbure de silicium (SiC) et leurs composites ont des propriétés supérieures à haute température (HT), une excellente résistance à l’irradiation, une faible activation inhérente et d’autres propriétés physiques/chimiques supérieures.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Combustible nucléaire

Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) sont une série de nouveaux concepts de combustibles nucléaires, étudiés afin d’améliorer les performances du combustible pendant le fonctionnement normal, les conditions transitoires et les scénarios d’accident, tels que les accidents de perte de réfrigérant (LOCA) ou les accidents déclenchés par la réactivité (RIA). Suite à l’accident de Fukushima Daiichi, une revue du comportement du combustible a été initiée. Le combustible gainé d’ alliage de zirconium fonctionne avec succès jusqu’à un taux de combustion élevé et est le résultat de 40 ans de développement et d’amélioration continus. Cependant, dans des conditions d’accident grave, l’interaction zirconium-vapeur à haute température peut être une source majeure de dommages à la centrale.

Ces mises à niveau incluent:

• additifs spécialement conçus pour les pastilles de combustible standard destinés à améliorer diverses propriétés et performances
• revêtements robustes appliqués à l’extérieur des revêtements standards destinés à réduire la corrosion, à augmenter la résistance à l’usure et à réduire la production d’hydrogène dans des conditions de haute température (accidentelles)
• développement de conceptions de combustibles entièrement nouvelles avec revêtement en céramique et différents matériaux combustibles

La gaine de combustible actuelle est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. Il empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Le gainage constitue l’une des barrières dans l’approche de «défense en profondeur», par conséquent, sa capacité de refroidissement est l’un des aspects clés de la sécurité.

Référence spéciale : Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Revêtement de carburant avancé

Alors que les conceptions actuelles de combustible nucléaire ont très bien fonctionné dans des conditions normales de centrale, les conceptions de combustible nucléaire existantes peuvent être remises en question lorsqu’elles sont soumises à des scénarios d’accident grave hors dimensionnement. Dans de telles conditions, la perte à long terme de caloporteur et les températures élevées du combustible qui en résultent peuvent conduire à la dégradation de la gaine du combustible et à la libération précoce de produits de fission.

Les concepts ATF proposés visent à réduire les risques d’accidents graves (SA) en augmentant le temps d’adaptation dont disposent les opérateurs pour réagir en cas d’accident, en réduisant l’étendue et le taux de production de chaleur et d’hydrogène à partir de l’oxydation à la vapeur à haute température (HT), ou en réduisant les conséquences des accidents graves en améliorer la rétention des produits de fission (FP). Les attributs souhaités pour un matériau de revêtement ATF pratique sont assez rigoureux. En plus de bonnes propriétés de matériau à haute température, le matériau candidat doit être compatible avec les conceptions actuelles de combustible/cœur et fournir un fonctionnement économique, y compris une bonne neutronique. De plus, d’un point de vue opérationnel, il doit être hautement fiable, résistant à la corrosion et présenter une faible fragilisation à des taux de combustion élevés.

Selon le rapport de l’AEN, cinq classes différentes de conceptions de revêtement ont fait l’objet de l’examen:

• Alliages Zr revêtus et améliorés,
• Aciers avancés,
• Métaux réfractaires,
• Bardages SiC et SiC/SiC-composite
• composants non combustibles tels que les boîtiers de canaux SiC/SiC ou les barres de commande à tolérance d’accident (ATCR).

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Carburant résistant aux accidents

Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) sont une série de nouveaux concepts de combustibles nucléaires, étudiés afin d’améliorer les performances du combustible pendant le fonctionnement normal, les conditions transitoires et les scénarios d’accident, tels que les accidents de perte de réfrigérant (LOCA) ou les accidents déclenchés par la réactivité (RIA). Suite à l’accident de Fukushima Daiichi, une revue du comportement du combustible a été initiée. Le combustible gainé d’ alliage de zirconium fonctionne avec succès jusqu’à un taux de combustion élevé et est le résultat de 40 ans de développement et d’amélioration continus. Cependant, dans des conditions d’accident grave, l’interaction zirconium-vapeur à haute température peut être une source majeure de dommages à la centrale.

Ces mises à niveau incluent:

• additifs spécialement conçus pour les pastilles de combustible standard destinés à améliorer diverses propriétés et performances
• revêtements robustes appliqués à l’extérieur des revêtements standards destinés à réduire la corrosion, à augmenter la résistance à l’usure et à réduire la production d’hydrogène dans des conditions de haute température (accidentelles)
• développement de conceptions de combustibles entièrement nouvelles avec revêtement en céramique et différents matériaux combustibles

La gaine de combustible actuelle est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. Il empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Le gainage constitue l’une des barrières dans l’approche de «défense en profondeur», par conséquent, sa capacité de refroidissement est l’un des aspects clés de la sécurité.

Référence spéciale: Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Types de carburants tolérants aux accidents

Revêtement de carburant avancé

Alors que les conceptions actuelles de combustible nucléaire ont très bien fonctionné dans des conditions normales de centrale, les conceptions de combustible nucléaire existantes peuvent être remises en question lorsqu’elles sont soumises à des scénarios d’accident grave hors dimensionnement. Dans de telles conditions, la perte à long terme de caloporteur et les températures élevées du combustible qui en résultent peuvent conduire à la dégradation de la gaine du combustible et à la libération précoce de produits de fission.

Les concepts ATF proposés visent à réduire les risques d’accidents graves (SA) en augmentant le temps d’adaptation dont disposent les opérateurs pour réagir en cas d’accident, en réduisant l’étendue et le taux de production de chaleur et d’hydrogène à partir de l’oxydation à la vapeur à haute température (HT), ou en réduisant les conséquences des accidents graves en améliorer la rétention des produits de fission (FP). Les attributs souhaités pour un matériau de revêtement ATF pratique sont assez rigoureux. En plus de bonnes propriétés de matériau à haute température, le matériau candidat doit être compatible avec les conceptions actuelles de combustible/cœur et fournir un fonctionnement économique, y compris une bonne neutronique. De plus, d’un point de vue opérationnel, il doit être hautement fiable, résistant à la corrosion et présenter une faible fragilisation à des taux de combustion élevés.

Selon le rapport de l’AEN, cinq classes différentes de conceptions de revêtement ont fait l’objet de l’examen:

• Alliages Zr revêtus et améliorés,
• Aciers avancés,
• Métaux réfractaires,
• Bardages SiC et SiC/SiC-composite
• composants non combustibles tels que les boîtiers de canaux SiC/SiC ou les barres de commande à tolérance d’accident (ATCR).

Granulés de carburant avancés

 Selon le rapport de la NEA, les conceptions de combustibles couvertes par le groupe de travail sur les conceptions avancées de combustibles consistent en trois concepts différents:

• Combustible UO2 amélioré. En ce qui concerne le combustible UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que l’UO2 dopé à l’oxyde et l’UO2 à haute conductivité thermique (conçu en ajoutant un dopant métallique ou céramique).
• Combustible à haute densité.
• Combustible encapsulé (pastilles composites TRISO-SiC).

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
Carburant résistant aux accidents

Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) sont une série de nouveaux concepts de combustibles nucléaires, étudiés afin d’améliorer les performances du combustible pendant le fonctionnement normal, les conditions transitoires et les scénarios d’accident, tels que les accidents de perte de réfrigérant (LOCA) ou les accidents déclenchés par la réactivité (RIA). Suite à l’accident de Fukushima Daiichi, une revue du comportement du combustible a été initiée. Le combustible gainé d’ alliage de zirconium fonctionne avec succès jusqu’à un taux de combustion élevé et est le résultat de 40 ans de développement et d’amélioration continus. Cependant, dans des conditions d’accident grave, l’interaction zirconium-vapeur à haute température peut être une source majeure de dommages à la centrale.

Ces mises à niveau incluent:

• additifs spécialement conçus pour les pastilles de combustible standard destinés à améliorer diverses propriétés et performances
• revêtements robustes appliqués à l’extérieur des revêtements standards destinés à réduire la corrosion, à augmenter la résistance à l’usure et à réduire la production d’hydrogène dans des conditions de haute température (accidentelles)
• développement de conceptions de combustibles entièrement nouvelles avec revêtement en céramique et différents matériaux combustibles

La gaine de combustible actuelle est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. Il empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Le gainage constitue l’une des barrières dans l’approche de «défense en profondeur», par conséquent, sa capacité de refroidissement est l’un des aspects clés de la sécurité.

Référence spéciale: Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Revêtement de combustible revêtu de chrome

Le chrome est l’un des éléments de revêtement possibles pour les carburants tolérants aux accidents. Le revêtement en zirconium revêtu de Cr et d’autres revêtements à revêtement métallique réduisent considérablement les taux d’oxydation à haute température. L’épaisseur du revêtement est généralement comprise entre 20 et 30 mm. Tous les matériaux de revêtement étudiés (Cr, FeCrAl, Cr-Al, CrN) sont plus durs que les alliages de zirconium, donc si le revêtement est suffisamment épais (> 30 μm), les propriétés mécaniques seront modifiées avec une résistance accrue et une ductilité réduite. La dureté accrue des matériaux de revêtement présente l’avantage de protéger potentiellement le revêtement contre le frottement et l’usure. Par conséquent, le revêtement Cr peut réduire considérablement le risque de dommages au revêtement dus aux débris ou au fretting grille-tige.

Mais le principal avantage est que la gaine revêtue hérite de tous les avantages des propriétés du matériau de base en zirconium, mais améliore sa résistance à l’oxydation et à la corrosion, tant en fonctionnement normal qu’en conditions accidentelles. Selon plusieurs enquêtes, le revêtement revêtu de Cr présente une résistance post-trempe et une ductilité résiduelle considérablement accrues. L’effet de renforcement de la gaine revêtue de Cr observé à haute température est bénéfique en ce qu’il retarde le temps de rupture et préserve mieux la géométrie refroidissable du canal de combustible nucléaire en atténuant le blocage de l’écoulement. De plus, la corrosion des alliages de zirconium revêtus de Cr est réduite à près de zéro, diminuant ainsi également l’absorption d’hydrogène par la gaine. La gaine ne présentera donc pas de fragilisation par l’hydrogène,

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Carburant résistant aux accidents

La plupart des REP utilisent du combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium. Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO₂ est pressé en  pastilles 10, ces pastilles sont ensuite frittées dans le cylindre plein (d’une hauteur, et d’un diamètre d’environ 1 centimètre, la hauteur étant supérieure au diamètre). Les dimensions des pastilles de combustible et des autres composants de l’assemblage combustible sont contrôlées avec précision pour assurer la cohérence des caractéristiques du combustible. Ces pastilles sont ensuite chargés et encapsulés dans un crayon combustible (tube de gaine métallique), qui est en alliages de zirconium en raison de sa très faible section d’absorption (contrairement à l’inox). La surface du tube, qui recouvre les pastilles, est appelée gaine combustible. Les crayons combustibles sont des éléments de base d’un assemblage combustible. Les crayons combustibles ont pour but de contenir les produits de fission, d’assurer le support mécanique des pastilles et de permettre l’évacuation au fluide caloporteur de la chaleur générée par les réactions nucléaires. Le crayon combustible typique a une longueur d’environ 4 m et un diamètre d’environ 1 cm. Un cœur nucléaire de 1 100 MWe (3 300 MWth) peut contenir 157 assemblages combustibles composés de plus de 45 000 crayons combustibles et de quelque  15 millions de pastilles combustibles.

Granulés de carburant avancés

 Selon le rapport de la NEA, les conceptions de combustibles couvertes par le groupe de travail sur les conceptions avancées de combustibles consistent en trois concepts différents :

• Combustible UO2 amélioré. En ce qui concerne le combustible UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que l’UO2 dopé à l’oxyde et l’UO2 à haute conductivité thermique (conçu en ajoutant un dopant métallique ou céramique).
• Combustible à haute densité.
• Combustible encapsulé (pastilles composites TRISO-SiC).

Référence spéciale : Agence pour l’énergie nucléaire, État de l’art sur le combustible tolérant aux accidents des réacteurs à eau légère. NEA n° 7317, OCDE, 2018.

Combustible UO2 amélioré

La plupart des REP utilisent du combustible à l’uranium, qui se présente sous la forme de dioxyde d’uranium. Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. D’autre part, le dioxyde d’uranium a un point de fusion très élevé et un comportement bien connu. L’UO₂ est pressé en pastilles 10, ces pastilles sont ensuite frittées dans le cylindre plein (d’une hauteur, et d’un diamètre d’environ 1 centimètre, la hauteur étant supérieure au diamètre).

En ce qui concerne le carburant UO2 amélioré, cette conception particulière a été divisée en deux sous-concepts, tels que :

• UO2 dopé. Les attributs souhaitables des pastilles de combustible tolérantes aux accidents (ATF) comprennent l’amélioration de la rétention des produits de fission (FP) et la minimisation de l’interaction pastille-gaine. Selon les propositions de Westinghouse, la pastille UO₂ dopée à l’oxyde de chrome (Cr₂O₃) et à l’alumine (Al₂O₃) , connue sous le nom de notre pastille ADOPT, atteint une plus grande efficacité de l’uranium grâce à:
  • Densité accrue de matière fissile
  • Un taux de fluage plus élevé que l’UO2 standard à haute température
  • Une plus grande stabilité thermique
  • Réduction du lessivage en cas de fuite d’une barre de combustible
  • Réduction des rejets de gaz de fission dans un scénario transitoire
• Haute conductivité thermique UO2 (conçu par ajout de dopant métallique ou céramique). Le dioxyde d’uranium est un solide semi-conducteur noir à très faible conductivité thermique. La conductivité thermique est l’un des paramètres qui déterminent la  température centrale du carburant. Cette faible conductivité thermique peut entraîner une surchauffe localisée dans l’axe du carburant et cette surchauffe doit donc être évitée. Le concept de combustible cermet (céramique-métallique) pour les REO est considéré. Avec une faible fraction volumique d’additif métallique hautement conducteur, les pastilles de combustible CERMET présentent une conductivité plus élevée que les pastilles standard UO₂, abaissant la température du combustible dans des conditions normales de fonctionnement et augmentant les marges vis-à-vis de la fusion du combustible en cas d’accident.

Carburant à haute densité

La plupart des matériaux métalliques proposés comme gainage pour réduire l’oxydation à la vapeur présentent des pénalités de réactivité assez importantes par rapport aux gaines traditionnelles à base de Zr. Ces pénalités peuvent être compensées soit par une augmentation de l’ enrichissement en ²³⁵U et/ou par une diminution de la durée du cycle. Pour compenser cela sans les concessions précédentes, la densité fissile dans la pastille doit être augmentée. La densité fissile peut être augmentée de plusieurs manières. Une manière possible est d’augmenter la densité du matériau, et une autre consiste à augmenter le rapport métal sur non-métal dans les combustibles composés de métal.

Il existe plusieurs conceptions proposées de combustible à haute densité, mais il faut noter que tous les combustibles à haute densité sont loin d’être prêts à être utilisés comme combustibles dans des réacteurs commerciaux à eau légère. Les notions incluent:

• Combustibles nitrurés
• Combustibles siliciures
• Combustibles au carbure
• Carburants métalliques

Carburant de siliciure d’uranium

Le siliciure d’uranium est un composé inorganique de l’uranium. Il s’agit de l’une des conceptions possibles de matériaux de pastilles de combustible tolérants aux accidents proposés. Les avantages sont un pourcentage plus élevé d’uranium et une conductivité thermique plus élevée. Avec une densité de siliciure d’uranium de 12,2 g/cm³ (vs. ), le siliciure d’uranium (U3Si2) offre un coup de pouce dans l’économie du combustible. Le dioxyde d’uranium a une densité de 10,97 g/cm³. De plus, il y a un surplus de sa composition stechiométrique. Au final, il y a environ 17% de densité d’uranium supérieure à celle du dioxyde d’uranium. Un remplacement direct de UO₂ par U₃Si₂ devrait permettre à un réacteur de générer plus d’énergie à partir d’un ensemble de crayons combustibles et également fournir plus de « temps d’adaptation » en cas d’accidents graves. Sa conductivité thermique (~8,5 W/mK à 300 K) est nettement supérieure à celle du dioxyde d’uranium aux températures de fonctionnement, et elle augmente en fonction de la température (la conductivité thermique du dioxyde d’uranium diminue en fonction de la température). Cette conductivité thermique compense son point de fusion inférieur de sorte que les marges de fonctionnement et de sécurité du combustible sont améliorées.

Westinghouse, le Laboratoire national de l’Idaho (INL) et le Laboratoire national de Los Alamos ont commencé à développer et à fabriquer du siliciure d’uranium et ses combustibles composites dans le cadre du programme de combustible tolérant aux accidents du DOE. Les performances thermiques améliorées de l’U₃Si₂ par rapport au combustible UO₂ permettent la mise en œuvre d’un gainage plus avancé tel qu’un composite SiC-SiC, qui, outre les avantages opérationnels et de sécurité attendus, offre également une économie de neutrons supérieure et des économies supplémentaires sur les coûts du cycle du combustible. par rapport aux revêtements à base de Zr.

Carburant encapsulé – Pastilles composites TRISO-SiC

TRISO, TRI-structurel ISO-tropique, est un type de microparticule de combustible, qui se compose de noyaux porteurs de matière fissile qui sont recouverts de plusieurs couches de carbone poreux ou dense et de carbure de silicium. Historiquement, les particules TRISO ont été utilisées dans des éléments combustibles constitués de galets sphériques ou de blocs prismatiques hexagonaux avec du graphite utilisé comme matrice et revêtement pour l’élément combustible. Chaque particule agit comme son propre système de confinement grâce à ses couches à triple revêtement. Cela leur permet de retenir les produits de fission dans toutes les conditions du réacteur. Les particules TRISO peuvent résister à des températures extrêmes bien au-delà du seuil des combustibles nucléaires actuels. Pastilles composites TRISO-SiCsont constitués de particules de combustible TRISO noyées dans une matrice de SiC. L’utilisation de SiC comme matrice au lieu de graphite améliore la tolérance aux rayonnements de la matrice de combustible tout en améliorant la rétention de FP. Le combustible composite TRISO-SiC est généralement appelé combustible entièrement céramique microencapsulé (FCM).

Selon le rapport de l’AEN, le combustible TRISO-SiC est conçu comme un concept prometteur à moyen terme pour remplacer les pastilles de combustible UO2 actuelles. Il présente des caractéristiques de sécurité potentiellement supérieures par rapport aux autres formes de carburant en raison de ses multiples barrières à la dispersion des PF, de sa stabilité mécanique élevée et de sa bonne conductivité thermique. Une faible densité de charge en matière fissile est l’enjeu majeur de ce concept. Afin d’augmenter la charge fissile, la combinaison de l’enrichissement de l’uranium jusqu’à la limite supérieure pratique de l’UFE (~ 19,7 % de 235-U), l’augmentation de la fraction volumique noyau-particule et de la fraction de garnissage TRISO, et l’élargissement du diamètre de l’axe de combustible a été proposé.

Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires. Dans l’industrie nucléaire, le matériau composite en carbure de silicium a été étudié pour remplacer le revêtement en alliage de zirconium dans les réacteurs à eau légère. Les céramiques à base de carbure de silicium (SiC) et leurs composites ont des propriétés supérieures à haute température (HT), une excellente résistance à l’irradiation, une faible activation inhérente et d’autres propriétés physiques/chimiques supérieures.

Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. Janvier 1993.
US Department of Energy, Material Science. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

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Carburant résistant aux accidents

En général, portez est un dommage de surface induit mécaniquement qui entraîne l’élimination progressive de matière en raison du mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Une substance de contact peut consister en une autre surface, un fluide, ou des particules abrasives dures contenues dans une certaine forme de fluide ou de suspension, comme un lubrifiant par exemple. Comme pour le frottement, la présence d’usure peut être bonne ou mauvaise. Une usure productive et contrôlée peut être trouvée dans des processus tels que l’usinage, la coupe, le meulage et le polissage. Cependant, dans la plupart des applications technologiques, l’apparition d’usure est hautement indésirable et c’est un problème extrêmement coûteux puisqu’il conduit à la détérioration ou même à la défaillance des composants. En termes de sécurité, ce n’est souvent pas aussi grave (ou aussi soudain) qu’une fracture. C’est parce que l’usure est généralement anticipée.

Certaines caractéristiques du matériau telles que la dureté, le type de carbure et le pourcentage en volume peuvent avoir un impact décisif sur la résistance à l’usure d’un matériau dans une application donnée. L’usure, comme la corrosion, a plusieurs types et sous-types, est prévisible dans une certaine mesure et est plutôt difficile à tester et à évaluer de manière fiable en laboratoire ou en service.

L’usure abrasive

L’usure par abrasion est définie comme la perte de matière due aux particules dures ou aux protubérances dures qui sont forcées contre et se déplacent le long d’une surface solide. Cela se produit lorsqu’une surface dure et rugueuse glisse sur une surface plus molle. Ce mécanisme est parfois appelé usure par meulage. Le matériau plus dur peut être l’une des surfaces de frottement ou des particules dures qui ont trouvé leur chemin entre les surfaces de contact. Il peut s’agir de particules « étrangères » ou de particules résultant de l’usure de l’adhésif ou du délaminage. L’abrasion implique principalement des processus de coupe et de labour à petite échelle. La façon dont une aspérité glisse sur une surface détermine la nature et l’intensité de l’usure par abrasion. Il existe deux modes de base d’usure par abrasion:

• Usure abrasive à deux corps. L’usure à deux corps se produit lorsque les grains ou les particules dures enlèvent de la matière de la surface opposée. L’analogie courante est celle du matériau enlevé ou déplacé par une opération de coupe ou de labour.
• Usure abrasive à trois corps. L’usure à trois corps se produit lorsque les particules ne sont pas contraintes et sont libres de rouler et de glisser sur une surface. L’environnement de contact détermine si l’usure est classée comme ouverte ou fermée. Un environnement de contact ouvert se produit lorsque les surfaces sont suffisamment déplacées pour être indépendantes les unes des autres.

Il existe un certain nombre de stratégies différentes pour atténuer l’usure par abrasion, mais la règle générale pour la sélection des matériaux est la suivante: plus c’est dur, mieux c’est. Matériaux qui contiennent un pourcentage relativement élevé de carbures d’alliages durs et résistants à l’usure, tels que certains aciers à outils et aciers rapides.

Usure adhésive

L’usure adhésive provient de la liaison d’aspérités ou de points hauts microscopiques (rugosité de surface) entre deux matériaux de glissement. Lorsqu’un pic d’une surface entre en contact avec un pic de l’autre surface, une microsoudure instantanée peut avoir lieu en raison de la chaleur générée par le frottement résultant. Il en résulte un détachement ou un transfert de matière d’une surface à l’autre. Pour qu’une usure adhésive se produise, il est nécessaire que les surfaces soient en contact intime les unes avec les autres. Cela peut entraîner un déplacement et une fixation indésirables des débris d’usure et des composés de matériaux d’une surface à l’autre. Usure adhésive peut entraîner une augmentation de la rugosité et la création de protubérances (c’est-à-dire de grumeaux) au-dessus de la surface d’origine. Les surfaces séparées par des films lubrifiants, des films d’oxyde, etc. réduisent la tendance à l’adhérence. Dans certaines applications d’ingénierie, les surfaces glissent dans l’air ou sans lubrifiant et l’usure qui en résulte est appelée glissement à sec.

L’usure adhésive dépend des matériaux impliqués, du degré de lubrification fourni et de l’environnement. Une lubrification adéquate permet un fonctionnement régulier et continu des éléments de la machine, réduit le taux d’usure et évite les contraintes excessives ou les grippages au niveau des roulements. Lorsque la lubrification tombe en panne, les composants peuvent frotter de manière destructrice les uns contre les autres, provoquant de la chaleur, des soudures locales, des dommages destructeurs et des pannes. Par exemple, les aciers inoxydables austénitiques (par exemple AISI 304) glissant contre eux-mêmes sont très susceptibles de transférer de la matière et du galle, entraînant de graves dommages de surface. D’autres matériaux sujets à l’usure adhésive comprennent le titane, le nickel et le zirconium. D’autre part, le bronze d’aluminium a trouvé une reconnaissance croissante pour une grande variété d’applications nécessitant une résistance à l’usure mécanique. Sa résistance à l’usure est basée sur le transfert du métal plus tendre (bronze d’aluminium) au métal plus dur (acier) et la formation d’une fine couche de métal plus tendre sur le métal plus dur.

Par exemple, la fonction principale de l’huile moteur est de réduire la friction et l’usure des pièces mobiles (pour réduire l’usure de l’adhésif) et de nettoyer le moteur des boues, tandis qu’un filtre est conçu pour éliminer les contaminants et les particules abrasives de l’huile moteur.

Usure par érosion

L’usure par érosion est un processus d’élimination progressive de matière d’une surface cible en raison d’impacts répétés de particules solides. Les particules en suspension dans le flux de mélange liquide solide érodent les passes mouillées limitant la durée de vie des équipements utilisés pour le système de transport de lisier. Chaque particule coupe ou fracture une infime quantité de matériau (appelée copeaux d’usure ) de la surface. Si cela se répète sur une longue période de temps, une quantité importante de perte matérielle peut en résulter.

L’usure par érosion est courante dans les pompes et les turbines, les ventilateurs, les conduites de vapeur et les buses, à l’intérieur des coudes prononcés des tubes et des tuyaux. Par conséquent, il s’agit d’un mécanisme largement rencontré dans l’industrie et l’ingénierie énergétique. En raison de la nature du processus de convoyage, les systèmes de tuyauterie sont sujets à l’usure lorsque des particules abrasives doivent être transportées.

L’usure par érosion est causée par l’énergie cinétique transférée à la surface cible par l’impact de particules solides. Le taux d’usure érosive dépend d’un certain nombre de facteurs. Les caractéristiques matérielles des particules, telles que leur forme, leur dureté, leur vitesse d’impact et leur angle d’impact sont des facteurs primaires, ainsi que les propriétés de la surface érodée. La perte de matériau du matériau cible est plus élevée pour une énergie cinétique plus élevée de la particule incidente. Ainsi, la vitesse d’impact affecte largement l’usure par érosion du matériau cible. L’angle d’impact est l’un des facteurs les plus importants et est largement reconnu dans la littérature. Les courbes ou virages serrés ont tendance à produire plus d’érosion que les courbes douces.

L’usure par érosion peut être classée en trois catégories:

• Érosion des particules solides. L’érosion des particules solides est la perte de volume de matériau du matériau cible en raison de l’impact continu des particules solides présentes dans le fluide en écoulement.
• Érosion par impact liquide. La frappe continue du jet de liquide sur la surface du matériau provoque une érosion par impact liquide.
• Érosion par cavitations. Lorsque la vapeur ou le gaz dans un liquide forme des cavités ou des bulles qui provoquent l’usure.

En général, la résistance à l’usure érosive peut être améliorée en augmentant la dureté de la surface, en utilisant des matériaux appropriés et une conception appropriée du produit. Certaines mesures spécifiques pouvant être prises pour modifier les conditions d’écoulement comprennent : la réduction de la vitesse du fluide, l’élimination des turbulences lors des désalignements et la prévention des virages serrés.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure de frottement

L’usure par frottement est un processus d’usure spécial qui se produit au niveau de la zone de contact entre deux matériaux sous charge et soumis à un mouvement relatif infime dû aux vibrations ou à une autre force. L’usure par frottement est similaire à l’usure adhésive dans la mesure où la microsoudure se produit sur les surfaces de contact. Dans l’usure par adhérence, cependant, les métaux en regard glissent les uns sur les autres, tandis que dans l’usure par frottement, les interfaces métal-métal sont essentiellement fixes. L’amplitude du mouvement de glissement relatif est souvent de l’ordre du micromètre au millimètre. Étant donné que l’usure par frottement est essentiellement un phénomène stationnaire, les débris sont retenus aux emplacements ou à proximité des emplacements où ils se sont formés à l’origine. Ces débris sont généralement constitués d’oxydes des métaux en contact. Étant donné que les débris oxydés sont généralement beaucoup plus durs que les surfaces dont ils proviennent, ils agissent souvent comme un agent abrasif qui augmente le taux de frottement. L’usure par frottement se produit généralement dans les roulements, bien que la plupart des roulements aient leurs surfaces durcies pour résister au problème.

 L’atténuation du fretting est basée sur les mesures suivantes:

• Réduire ou éliminer les vibrations. Le moyen fondamental d’éviter le fretting est de concevoir sans mouvement relatif des surfaces au contact
• Utilisation d’un matériau élastomère pour empêcher le contact métal sur métal.
• Lubrification. Le problème ici est que le joint étant essentiellement stationnaire, le lubrifiant liquide ne peut pas s’écouler à travers l’interface.

Débris Fretting – Fretting de grille à tige

Dans les centrales nucléaires, la gaine de combustible est la couche externe des barres de combustible, située entre le caloporteur du réacteur et le combustible nucléaire (c’est-à-dire les pastilles de combustible). Il est constitué d’un matériau résistant à la corrosion à faible section efficace d’absorption des neutrons thermiques (~ 0,18 × 10^–24 cm²), généralement en alliage de zirconium. La gaine empêche les produits de fission radioactifs de s’échapper de la matrice combustible dans le caloporteur du réacteur et de le contaminer. Aux premières dates d’exploitation des REP et des REB, le fretting était l’un des principaux mécanismes de défaillance de cette gaine de combustible. Il a généralement deux variantes.

• Débris frottant. Le frottement des débris peut être causé par tout débris (matière étrangère – généralement métallique) qui peut pénétrer dans la grappe de combustible et qui a le potentiel de se loger entre la grille d’espacement et une barre de combustible. L’usure par frottement de la gaine de combustible peut entraîner la pénétration de la gaine.
• Frettage grille-tige. Le fretting grille-barre provient de la vibration de l’élément combustible générée par la vitesse élevée du liquide de refroidissement à travers la grille d’espacement. Des grilles d’espacement sont soudées sur les tubes guides et assurent, au moyen de ressorts et d’alvéoles, le maintien et l’écartement des crayons combustibles. Une vitesse élevée du liquide de refroidissement peut provoquer le frottement de la tige contre la partie de la grille d’espacement qui la maintient. Ce type d’usure du revêtement peut être minimisé par une conception appropriée de la grille d’espacement. Le jet de chicane est généralement regroupé sous le frottement grille-tige.

Voir aussi : AIEA, Examen des pannes de combustible dans les réacteurs refroidis à l’eau. N° NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Vienne, 2010.

Fatigue de surface – usure par fatigue

En science des matériaux, la fatigue est l’affaiblissement d’un matériau causé par un chargement cyclique qui entraîne des dommages structurels progressifs, cassants et localisés. La fatigue de surface, ou usure par fatigue, est la fissuration et la piqûre subséquente des surfaces soumises à des contraintes alternées lors du contact de roulement ou aux contraintes du roulement et du glissement combinés. L’usure par fatigue se produit lorsque les particules d’usure sont détachées par la croissance cyclique de microfissures sur la surface. Ces microfissures sont soit des fissures superficielles, soit des fissures souterraines. Les cycles répétés de chargement et de déchargement auxquels les matériaux sont exposés peuvent induire la formation de fissures en subsurface ou en surface, qui finalement, après un nombre critique de cycles, entraîneront la rupture de la surface avec la formation de gros fragments, laissant de grandes piqûres en surface. Une fois qu’une fissure s’est amorcée, chaque cycle de chargement fera croître la fissure d’une petite quantité, même lorsque des contraintes alternées ou cycliques répétées sont d’une intensité considérablement inférieure à la résistance normale. Les contraintes peuvent être dues à des vibrations ou à des cycles thermiques. Des fatigues souterraines et superficielles sont observées lors de roulements et de glissements répétés, respectivement.

Usure corrosive et oxydation

L’usure corrosive est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Il est défini comme le processus d’usure dans lequel le glissement a lieu dans un environnement corrosif. En l’absence de glissement, les produits de la corrosion (par exemple, les oxydes) formeraient un film généralement inférieur à un micromètre d’épaisseur sur les surfaces, ce qui aurait tendance à ralentir voire à éliminer la corrosion, mais l’action de glissement use le film. , afin que la corrosion puisse se poursuivre. L’usure par oxydation est l’une des formes les plus courantes d’usure corrosive, car un environnement riche en oxygène est un environnement typique dans lequel ce processus d’usure se produit. L’usure corrosive nécessite à la fois de la corrosion et du frottement. La corrosion chimique se produit dans un environnement hautement corrosif et dans des environnements à température et humidité élevées.

Érosion – Corrosion

L’érosion peut également se produire en combinaison avec d’autres formes de dégradation, telles que la corrosion. On parle alors d’érosion-corrosion. La corrosion par érosion est un processus de dégradation des matériaux dû à l’effet combiné de la corrosion et de l’usure. Presque tous les fluides corrosifs fluides ou turbulents peuvent provoquer une corrosion par érosion. Le mécanisme peut être décrit comme suit:

• érosion mécanique du matériau, ou couche d’oxyde protectrice (ou passive) à sa surface,
• corrosion accrue du matériau, si la vitesse de corrosion du matériau dépend de l’épaisseur de la couche d’oxyde.

L’usure est un processus de dégradation mécanique des matériaux qui se produit sur les surfaces de frottement ou d’impact, tandis que la corrosion implique des réactions chimiques ou électrochimiques du matériau. La corrosion peut accélérer l’usure et l’usure peut accélérer la corrosion.

Usure par impact

L’usure par impact est définie comme l’usure d’une surface solide due à la percussion, qui est une exposition répétitive à un contact dynamique par un autre corps solide. L’usure par impact est de la plus haute importance dans l’exploitation minière et le traitement des minéraux. L’exploitation minière et le traitement des minéraux exigent des machines et des composants résistants à l’usure, car les énergies et les masses des corps en interaction sont importantes. Pour cela, les matériaux les plus résistants à l’usure doivent être utilisés. Par exemple, le carbure de tungstène est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou, les couteaux à rouleaux, les burins de charrue à longue paroi, les pics de cisaillement à longue paroi, les alésoirs de forage ascendant et les tunneliers.

Pour les paires d’impacts métalliques, le comportement de l’usure par impact implique une déformation élastique et plastique lorsque la charge d’impact ou l’énergie d’impact est élevée et/ou une fatigue accompagnée de la libération de débris d’usure due à la formation de fissures. En général, l’usure par impact des métaux est dépendante de la formation de couches déformées, en particulier lorsque l’usure par fatigue ou formation de fissures est prédominante. Dans de tels cas, les fissures souterraines s’étendent parallèlement à la surface d’une manière très similaire à l’usure par délaminage. Une dureté suffisante du composant impacté est nécessaire pour empêcher une usure rapide ou une extrusion de matière du contact par déformation plastique. Dans la plupart des situations, cette condition peut être remplie en garantissant une dureté adéquate, puis l’usure est contrôlée par d’autres caractéristiques du matériau.

Usure par cavitation

L’usure par cavitation est un processus de dégradation progressive du matériau dû à la nucléation répétée, à la croissance et à l’effondrement violent de cavités dans un liquide s’écoulant à proximité du matériau. La fatigue par cavitation est un type spécifique de mécanisme d’endommagement causé par des vibrations et des mouvements répétés dus au contact avec des liquides en circulation, l’eau étant le fluide le plus courant. La cavitation est, dans de nombreux cas, un événement indésirable. Dans les pompes centrifuges, la cavitation provoque des dommages aux composants (érosion du matériau), des vibrations, du bruit et une perte de rendement.

Le problème d’ingénierie le plus important causé par la cavitation est peut-être les dommages matériels que les bulles de cavitation peuvent causer lorsqu’elles s’effondrent à proximité d’une surface solide. L’effondrement des bulles de cavitation est un processus violent qui génère des ondes de choc et des microjets très localisés . Ils forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et ces perturbations intenses génèrent des contraintes de surface très localisées et transitoires sur une surface solide. Les signes d’ érosion apparaîtront sous forme de piqûres dues à l’action de coup de bélier des bulles de vapeur qui s’effondrent. Il a été constaté que les taux de dommages par cavitation augmentent rapidement avec l’augmentation du débit volumique.

Les matériaux plus tendres peuvent être endommagés même par  une  cavitation à court terme. Des fosses individuelles peuvent être observées après l’effondrement d’une seule bulle. Par conséquent, des matériaux plus durs sont utilisés pour  les pompes centrifuges . Mais avec les matériaux plus durs utilisés dans la plupart des applications, la contrainte cyclique due aux effondrements répétés peut provoquer une rupture locale par fatigue de surface. Ainsi, les dommages causés par la cavitation aux métaux ont généralement l’apparence d’ une rupture par fatigue.

Lorsque les bulles de cavitation s’effondrent, elles forcent le liquide énergétique dans de très petits volumes, créant ainsi des points de haute température et émettant des ondes de choc, ces dernières étant une source de bruit. Bien que l’effondrement d’une petite cavité soit un événement à énergie relativement faible, des effondrements très localisés peuvent éroder des métaux, tels que l’acier, au fil du temps. Les piqûres causées par l’effondrement des cavités produisent une grande usure des composants et peuvent réduire considérablement la durée de vie d’une hélice ou d’une pompe.

La cavitation s’accompagne généralement de:

• Bruit. Le bruit typique est causé par l’effondrement des cavités. Le niveau de bruit résultant de la cavitation est une mesure de la sévérité de la cavitation.
• Vibrations. Les vibrations de la pompe dues à la cavitation sont généralement des vibrations à basse fréquence, généralement trouvées dans la plage de 0 à 10 Hz.
• Réduction de l’efficacité de la pompe. Une diminution de l’efficacité de la pompe est un signe plus fiable de cavitation.

Prévention de la cavitation

Les piqûres peuvent varier en taille de très petites à très grandes, ou même elles peuvent pénétrer complètement l’épaisseur d’un métal. Les dommages à la structure peuvent être catastrophiques et les pertes d’efficacité fonctionnelle peuvent être substantielles. Les méthodes de traitement de ce problème comprennent:

• Augmenter la dureté et la résistance du métal. Cependant, cela ne peut que retarder le problème plutôt que de le prévenir.
• Augmenter la rigidité de la pièce. Cela devrait réduire son amplitude de vibration, augmentant ainsi sa fréquence de vibration naturelle. Il peut être possible d’augmenter l’épaisseur de la paroi ou d’ajouter des nervures de renforcement pour modifier les caractéristiques de vibration.
• Augmenter le lissé de la surface. Les cavités ont tendance à se regrouper dans certaines zones de basse pression. Il peut être possible d’éliminer les pics et les creux de surface en dispersant les cavités.

Usure diffuse

L’usure par diffusion ou dissolution fait référence aux dommages, à l’érosion ou à la dégradation des matériaux qui se produisent à la surface d’un métal en raison de l’augmentation des températures de surface. Lorsque deux matériaux sont en contact l’un avec l’autre, les atomes d’un matériau peuvent diffuser dans l’autre, provoquant une usure par diffusion ou par dissolution. L’usure diffuse est principalement due à la chaleur produite par l’adhérence lorsque deux surfaces rugueuses se croisent, généralement lorsqu’un métal glisse sur l’autre.

Dureté de surface et résistance à l’usure

La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté. Si la dureté du matériau est supérieure à celle du matériau abrasif, le taux d’usure sera moindre.

La cémentation ou la trempe superficielle est le processus dans lequel la dureté de la surface (boîte) d’un objet est améliorée, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. Après ce processus, la dureté de surface, la résistance à l’usure et la durée de vie à la fatigue sont améliorées. Ceci est accompli par plusieurs processus tels qu’un processus de carburation ou de nitruration par lequel un composant est exposé à une atmosphère carbonée ou azotée à température élevée. Comme cela a été écrit, deux caractéristiques matérielles principales sont influencées :

• La dureté et la résistance à l’usure sont considérablement améliorées. En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.
• La ténacité n’est pas influencée négativement. La ténacité est la capacité d’un matériau à absorber de l’énergie et à se déformer plastiquement sans se fracturer. Une définition de la ténacité (pour taux de déformation élevé, ténacité à la rupture) est qu’il s’agit d’une propriété qui indique la résistance d’un matériau à la rupture lorsqu’une fissure (ou un autre défaut de concentration de contrainte) est présente.

Pour le fer ou l’acier à faible teneur en carbone, qui a une trempabilité faible ou nulle, le processus de cémentation consiste à infuser du carbone ou de l’azote supplémentaire dans la couche de surface. La cémentation est utile dans des pièces telles qu’une came ou une couronne dentée qui doivent avoir une surface très dure pour résister à l’usure, ainsi qu’un intérieur résistant pour résister à l’impact qui se produit pendant le fonctionnement. De plus, la trempe superficielle de l’acier présente un avantage par rapport à la trempe en profondeur (c’est-à-dire le durcissement du métal uniformément sur toute la pièce) car les aciers à faible et moyenne teneur en carbone moins chers peuvent être durcis en surface sans les problèmes de distorsion et de fissuration associés à la par durcissement de sections épaisses. Une couche de surface externe riche en carbone ou en azote (ou cas) est introduit par diffusion atomique à partir de la phase gazeuse. Le boîtier est normalement de l’ordre de 1 mm de profondeur et est plus dur que le noyau interne du matériau.

Matériaux typiques résistants à l’usure

En général, l’usure est un dommage de surface induit mécaniquement qui se traduit par l’élimination progressive de matière due au mouvement relatif entre cette surface et une substance ou des substances en contact. Par conséquent, il existe un matériau parfaitement résistant à l’usure et, dans tous les cas, cela dépend fortement de nombreuses variables (par exemple, combinaison de matériaux, pression de contact, environnement, température). La dureté du matériau est corrélée à la résistance à l’usure du matériau. Si la dureté du matériau est inférieure à celle de la dureté du matériau abrasif, alors le taux d’usure est élevé. La dureté du matériau joue un rôle majeur dans la résistance à l’usure. Certains matériaux présentent des caractéristiques d’usure particulières :

• Ni₃Al – Alliage. L’aluminiure de nickel est un alliage intermétallique de nickel et d’aluminium avec des propriétés similaires à la fois à une céramique et à un métal. L’aluminiure de nickel est unique en ce qu’il a une conductivité thermique très élevée combinée à une résistance élevée à haute température. Ces propriétés, combinées à sa haute résistance et sa faible densité, le rendent idéal pour des applications spéciales comme le revêtement des aubes dans les turbines à gaz et les moteurs à réaction. Les matériaux composites avec des alliages à base de Ni₃Al comme matrice durcie par, par exemple, TiC, ZrO2, WC, SiC et graphène, sont des matériaux avancés. En 2005, le matériau le plus résistant à l’abrasion aurait été créé en incorporant des diamants dans une matrice d’aluminiure de nickel.
• Carbure de tungstène. L’usure par impact est de la plus haute importance dans l’exploitation minière et le traitement des minéraux. L’exploitation minière et le traitement des minéraux exigent des machines et des composants résistants à l’usure, car les énergies et les masses des corps en interaction sont importantes. Pour cela, les matériaux les plus résistants à l’usure doivent être utilisés. Par exemple, le carbure de tungstène est largement utilisé dans l’exploitation minière dans les trépans de forage à marteau supérieur, les marteaux de fond de trou, les couteaux à rouleaux, les burins de charrue à longue paroi, les pics de cisaillement à longue paroi, les alésoirs de forage ascendant et les tunneliers.
• Carbure de silicium. Le carbure de silicium est un composé cristallin de silicium et de carbone extrêmement dur, produit synthétiquement. Sa formule chimique est SiC. Le carbure de silicium a une dureté Mohs de 9, se rapprochant de celle du diamant. En plus de la dureté, les cristaux de carbure de silicium ont des caractéristiques de rupture qui les rendent extrêmement utiles dans les meules. Sa conductivité thermique élevée, ainsi que sa résistance à haute température, sa faible dilatation thermique et sa résistance à la réaction chimique, rendent le carbure de silicium précieux dans la fabrication d’applications à haute température et d’autres réfractaires.
• Alliages revêtus. La cémentation par traitement de surface peut être classée en tant que traitements de diffusion ou traitements de chauffage localisés. Les méthodes de diffusion introduisent des éléments d’alliage qui pénètrent dans la surface par diffusion, soit en tant qu’agents de solution solide, soit en tant qu’agents de trempabilité qui aident à la formation de martensite lors de la trempe ultérieure. Dans ce processus, la concentration d’élément d’alliage est augmentée à la surface d’un composant en acier. Les méthodes de diffusion comprennent:
• La carburation est un processus de cémentation dans lequel la concentration en carbone de surface d’un alliage ferreux (généralement un acier à faible teneur en carbone) est augmentée par diffusion à partir de l’environnement environnant. La carburation produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs moyennes) avec une excellente capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une bonne résistance au grippage.
• La nitruration est un processus de cémentation dans lequel la concentration en azote de surface d’un ferreux est augmentée par diffusion à partir du milieu environnant pour créer une surface cémentée. La nitruration produit une surface de produit dure et très résistante à l’usure (profondeurs peu profondes) avec une bonne capacité de charge de contact, une bonne résistance à la fatigue par flexion et une excellente résistance au grippage.
• La boruration, également appelée boronisation, est un processus de diffusion thermochimique similaire à la nitrocarburation dans lequel les atomes de bore diffusent dans le substrat pour produire des couches de surface dures et résistantes à l’usure. Le processus nécessite une température de traitement élevée (1073-1323 K) et une longue durée (1-12 h), et peut être appliqué à une large gamme de matériaux tels que les aciers, la fonte, les cermets et les alliages non ferreux.
• Trempe au titane-carbone et au nitrure de titane. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.
• Aciers cémentés. Afin d’améliorer la résistance à l’usure des aciers, une cémentation basée sur la transformation martensitique est généralement effectuée. La trempe par transformation martensitique est l’une des méthodes de trempe les plus courantes, qui est principalement utilisée pour les aciers (c’est-à-dire les aciers au carbone ainsi que les aciers inoxydables).
• Durcissement à la flamme. La trempe à la flamme est une technique de trempe superficielle qui utilise une seule torche avec une tête spécialement conçue pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant. C’est une technique similaire à la trempe par induction. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Trempe par induction. La trempe par induction est une technique de trempe superficielle qui utilise des bobines d’induction pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement, généralement à l’aide d’eau. Cela crée un « cas » de martensite sur la surface. Une teneur en carbone de 0,3 à 0,6 % en poids de C est nécessaire pour ce type de durcissement.
• Durcissement au laser. La trempe au laser est une technique de trempe superficielle qui utilise un faisceau laser pour fournir un moyen très rapide de chauffer le métal, qui est ensuite refroidi rapidement (généralement par auto-trempe). Cela crée un « cas » de martensite à la surface, tandis que le noyau interne de l’objet reste élastique et résistant.

Quelques matériaux courants:

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  Fonte ductile. La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire ou fonte à graphite sphéroïdal, est très similaire à la fonte grise dans sa composition, mais lors de la solidification, le graphite se nuclée sous forme de particules sphériques (nodules) dans la fonte ductile, plutôt que sous forme de flocons. Les applications typiques de ce matériau comprennent les vannes, les corps de pompe, les vilebrequins, les engrenages et d’autres composants automobiles et de machines en raison de sa bonne usinabilité, de sa résistance à la fatigue et de son module d’élasticité plus élevé (par rapport à la fonte grise), et dans les engrenages à usage intensif en raison de sa haute limite d’élasticité et sa résistance à l’usure.

• Bronze d’Aluminium. Les bronzes d’aluminium sont une famille d’alliages à base de cuivre offrant une combinaison de propriétés mécaniques et chimiques inégalées par toute autre série d’alliages. Ils contiennent environ 5 à 12% d’aluminium. Le bronze d’aluminium est de plus en plus reconnu pour une grande variété d’applications nécessitant une résistance à l’usure mécanique. Sa résistance à l’usure est basée sur le transfert du métal plus tendre (bronze d’aluminium) au métal plus dur (acier) et la formation d’une fine couche de métal plus tendre sur le métal plus dur.

La science des matériaux:

1. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 et 2. Janvier 1993.
2. Département américain de l’énergie, science des matériaux. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 et 2. Janvier 1993.
3. William D. Callister, David G. Rethwisch. Science et génie des matériaux : une introduction 9e édition, Wiley ; 9 édition (4 décembre 2013), ISBN-13 : 978-1118324578.
4. En ligneEberhart, Mark (2003). Pourquoi les choses se cassent : Comprendre le monde par la manière dont il se décompose. Harmonie. ISBN 978-1-4000-4760-4.
5. Gaskell, David R. (1995). Introduction à la thermodynamique des matériaux (4e éd.). Éditions Taylor et Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
6. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Une introduction à la science des matériaux. Presse universitaire de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
7. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
8. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introduction au génie nucléaire, 3e éd., Prentice-Hall, 2001, ISBN : 0-201-82498-1.

Voir ci-dessus:
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