Que sont les aciers avancés – FeCrAl Fuel Clad – Définition

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 cm ²), 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.

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 gaine 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.

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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.
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Voir ci-dessus :
Carburant résistant aux accidents