Que sont les matériaux pour les réacteurs nucléaires – Problèmes matériels – Définition

Les réacteurs à eau sous pression  utilisent une cuve sous pression (RPV) pour contenir le combustible nucléaire, le modérateur, les barres de commande et le caloporteur. Ils sont refroidis et modérés par de l’eau liquide à haute pression (ex. 16MPa). A cette pression, l’eau bout à environ 350 °C (662 °F). La température d’entrée de l’eau est d’environ 290 °C (554 °F). L’eau (liquide de refroidissement) est chauffée dans le cœur du réacteur à environ 325 °C (617 °F) lorsque l’eau s’écoule à travers le cœur. Comme on peut le voir, le réacteur a environ 25 °C de caloporteur sous-refroidi (distance à la saturation).

La cuve sous pression du réacteur est la cuve sous pression contenant le cœur du réacteur et d’autres éléments internes clés du réacteur. Il s’agit d’un récipient cylindrique avec un fond hémisphérique et un fond supérieur à bride et joint. La tête inférieure est soudée à l’enveloppe cylindrique tandis que la tête supérieure est boulonnée à l’enveloppe cylindrique via les brides. La tête supérieure est amovible pour permettre le ravitaillement du réacteur lors des arrêts programmés.

Le corps de la cuve du réacteur est construit en acier au carbone faiblement allié de haute qualité, et toutes les surfaces qui entrent en contact avec le liquide de refroidissement du réacteur sont revêtues d’un minimum d’environ 3 à 10 mm d’ acier inoxydable austénitique  (par exemple 304L) afin pour minimiser la corrosion.

L’ acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’ acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il a une ténacité élevée et il est facile à former. Les exigences spéciales pour les matériaux de la cuve du réacteur comprennent une faible capacité d’activation (en particulier en raison de la formation de Co-60). Exemples d’ aciers au carbone faiblement alliés de haute qualité:

• SA-508 Gr.3 Cl.2 (acier ferritique faiblement allié)
• 15Kh2NMFA (acier ferritique faiblement allié)

Agents d’alliage

Le fer pur est trop mou pour être utilisé à des fins de structure, mais l’ajout de petites quantités d’autres éléments (carbone, manganèse ou chrome par exemple) augmente fortement sa résistance mécanique. L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés. Les quatre principaux éléments d’alliage sont :

• Chrome. Dans ces aciers, le chrome augmente la dureté et la résistance. De manière générale, la concentration spécifiée pour la plupart des grades est d’environ 2 %. Ce niveau semble donner le meilleur équilibre entre dureté et ténacité. Le chrome joue un rôle important dans le mécanisme de durcissement et est considéré comme irremplaçable. À des températures plus élevées, le chrome contribue à une résistance accrue.
• Nickel. Le nickel ne forme aucun composé de carbure dans l’acier, il reste en solution dans la ferrite, renforçant et durcissant ainsi la phase de ferrite.
• Molybdène. Le molybdène (environ 0,50 à 8,00 %) lorsqu’il est ajouté à un acier le rend plus résistant aux hautes températures. Le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à des températures élevées en raison du point de fusion élevé du molybdène. Le molybdène est unique dans la mesure où il augmente les résistances à la traction et au fluage à haute température de l’acier.

Les aciers inoxydables austénitiques, qui sont utilisés comme revêtement résistant à la corrosion, contiennent entre 16 et 25 % de chrome et peuvent également contenir de l’azote en solution, qui contribuent tous deux à leur résistance relativement élevée à la corrosion. La nuance la plus connue est l’acier inoxydable AISI 304, qui contient à la fois du chrome (entre 15 % et 20 %) et du nickel (entre 2 % et 10,5 %) comme principaux constituants non ferreux. L’acier inoxydable 304 a une excellente résistance à une large gamme d’environnements atmosphériques et à de nombreux milieux corrosifs. Ces alliages sont généralement caractérisés comme ductiles, soudables et durcissables par formage à froid.

L’acier inoxydable de type 304L, largement utilisé dans l’industrie nucléaire, est une version à très faible teneur en carbone de l’alliage d’acier 304. Cette nuance a des propriétés mécaniques légèrement inférieures à la nuance standard 304, mais reste largement utilisée grâce à sa polyvalence. La faible teneur en carbone du 304L minimise les précipitations de carbure délétères ou nocives résultant du soudage. Le 304L peut donc être utilisé « tel que soudé » dans des environnements à corrosion sévère, et il élimine le besoin de recuit. Le grade 304 a également une bonne résistance à l’oxydation en service intermittent jusqu’à 870 °C et en service continu jusqu’à 925 °C. Étant donné que la nuance 304L ne nécessite pas de recuit après soudage, elle est largement utilisée dans les composants de gros calibre. Exemples d’ aciers inoxydables utilisés:

• Inox 304L
• Inox 08Kh18N10T

Les cuves sous pression des réacteurs sont les composants clés les plus prioritaires des centrales nucléaires. La cuve sous pression du réacteur abrite le cœur du réacteur et, en raison de sa fonction, elle a une importance directe pour la sûreté. Lors de l’exploitation d’une centrale nucléaire, le matériau de la cuve sous pression du réacteur est exposé à un rayonnement neutronique (en particulier aux neutrons rapides), ce qui entraîne une fragilisation localisée de l’acier et des soudures au niveau du cœur du réacteur. Afin de minimiser une telle dégradation du matériau, des réflecteurs radiaux de neutrons sont installés autour du cœur du réacteur. Il existe deux types de base de réflecteurs de neutrons, le déflecteur central et leréflecteur lourd. En raison de la densité de nombre atomique plus élevée , les réflecteurs lourds réduisent les fuites de neutrons (en particulier des neutrons rapides) du cœur plus efficacement que les déflecteurs du cœur. Étant donné que la cuve sous pression du réacteur est considérée comme irremplaçable, ces effets de vieillissement de la RPV peuvent constituer des conditions limitant la durée de vie d’une centrale nucléaire.

Problèmes matériels et défis des réacteurs nucléaires

Les principaux problèmes ou plutôt défis, qui doivent être pris en compte lors de la conception des réacteurs, sont:

• Contraintes de pression et de température avec limites associées
  • Limites de pression et de température (P/T)
  • Taux de chauffe et de refroidissement
  • Limites de protection contre les surpressions à basse température
  • Choc thermique sous pression
• Dommages causés par les radiations aux matériaux du réacteur
  • Température de transition ductile-fragile
  • Robustesse de l’étagère supérieure
• Corrosion

Référence spéciale: Reactor Pressure Vessel Status Report, US NRC. NUREG-1511. Bureau de réglementation des réacteurs nucléaires US Nuclear Regulatory Commission, Washington, 1994.

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:
Matériaux de centrale électrique