Etude des mécanismes de dégradation sous air à haute température des gaines de combustible nucléaire en alliage de zirconium

par Isabel Idarraga Trujillo

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Michel Mermoux.

Soutenue le 11-10-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et Interfaces (équipe de recherche) et de Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Petit.

Le jury était composé de Michel Mermoux, Jean-Marie Cloue, Michele Pijolat, Christian Duriez.

Les rapporteurs étaient Eric Andrieu, Patrick Simon, Bengt Jonsson.


  • Résumé

    Lors de certains scénarios accidentels, percement de cuve de réacteur avec entrée d’air, dénoyage de piscinesde manutention, de stockage ou d’entreposage de combustibles usés, ou encore certains accidents de transport,les assemblages combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), peuvent se retrouver privés de leurrefroidissement et exposés à l’air. Dans ces conditions, la température des assemblages s’élève et les gaines descrayons combustibles, en alliage à base de zirconium, s’oxydent. Par rapport à une oxydation sous vapeur, lavitesse de dégradation des gaines est beaucoup plus élevée, d’une part à cause de l’enthalpie élevée de laréaction zirconium-oxygène, comparée à la réaction zirconium-vapeur d’eau, et d’autre part parce que l’azotecontribue à la dégradation. Des phénomènes d’emballement sont attendus qui peuvent rapidement conduire à laperte de la fonction de confinement assurée par les gaines.L’objectif de cette thèse a été d’affiner la compréhension des mécanismes d’oxydation sous air à hautetempérature des deux alliages de zirconium les plus utilisés dans les REP français, le Zircaloy-4 et le M5®, et depréciser le rôle de l’azote.Des tronçons de gaines vierges de Zircaloy-4 et M5® ont été oxydés dans une thermobalance sous air enconditions isothermes à des températures comprises entre 800°C et 1000°C. Plusieurs techniquesexpérimentales (spectroscopie micro-Raman, EPMA, DRX, microscopies optique et électronique à balayage…)ont été mises en oeuvre pour caractériser les couches d’oxyde. La formation et l’évolution des différentes phasesqui composent ces couches (zircone monoclinique, quadratique et cubique, oxynitrure de zirconium et ZrN) ontainsi pu être mises en évidence et analysées en fonction de l’avancement de l’oxydation. Des mécanismesd’oxydation ont été proposés, et la résistance à l’oxydation plus importante de l’alliage M5® par rapport auZircaloy-4 a été expliquée.Les informations recueillies permettront d’alimenter des modèles visant à prédire le comportement des gaineslors de l’oxydation en situation accidentelle avec entrée d’air (transitoire de température, composition évolutive dela phase gazeuse…).

  • Titre traduit

    Study of the degradation mechanisms of zirconium alloy nuclear fuel claddings in air at high-temperature.


  • Résumé

    In nuclear plants, some accidental situations can result in air exposure of Pressurized Water Reactor (PWR) fuelassemblies: air ingress following a breach in the reactor vessel, deflooding during handling, spent fuel storagepool deflooding. Deprived of cooling source, the assemblies temperature raises and the fuel cladding, made out ofzirconium based alloys, oxidize. Compared to a steam oxidation, the degradation kinetic of the cladding is higher,on the one hand because of the high enthalpy of the zirconium-oxygen reaction (compared to zirconium-steamreaction), on the other hand because of the nitrogen contribution to the degradation. Temperature escalation andreaction runaway are expected and can rapidly lead to the loss of integrity of the cladding tubes.The objective of this PhD thesis was to affine the understanding of the high temperature air oxidation mechanismsof the two mostly used zirconium alloys in French PWR, Zircaloy-4 and M5®. Special attention has been paid toclarify the role of nitrogen.As-received Zircaloy-4 and M5® claddings segments have been oxidized in a thermobalance in air in isothermalconditions at temperatures between 800°C and 1000°C. Several characterization techniques (micro-Ramanspectroscopy, EPMA, XRD, optical and scanning electron microcopies...) have been used to analyze the oxidelayers. Identification and evolution of the different phases (monoclinic, tetragonal and cubic zirconia, zirconiumoxynitride and ZrN) has been evidenced and analyzed at several step of the oxidation process. Oxidationmechanisms have been proposed and the better oxidation resistance of the M5® alloy, compared to Zircaloy-4alloy, has been explained.The collected information will allow improvement of modeling aiming to predict the behavior of the claddings invarious accidental situations with air ingress (temperature transients, evolution of the gas phase composition…).


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