Qu’est-ce que les gaines composites SiC et SiC/SiC – 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 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.

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 des fibres SiC flexibles 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.

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Voir ci-dessus:
Carburant résistant aux accidents