Etude des premiers instants d'oxydation d'un acier ferrito-martensitique FE-12CR dans le CO2

par Soraya Bouhieda

Thèse de doctorat en Science et génie des matériaux

Sous la direction de Krzysztof Wolski.

Soutenue le 16-10-2012

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .

Le président du jury était Philippe Marcus.

Le jury était composé de Krzysztof Wolski, Philippe Marcus, Yves Wouters, Sébastien Chevalier, Michèle Pijolat, Fabien Rouillard.

Les rapporteurs étaient Yves Wouters, Sébastien Chevalier.


  • Résumé

    Dans le cadre du développement des réacteurs nucléaires de 4ème génération et plus particulièrement du réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium (SFR), le CO2 supercritique, dans un cycle de Brayton, a été identifié comme fluide potentiel en remplacement de la vapeur d'eau dans le cycle de conversion de l'énergie. Les aciers ferrito-martensitiques contenant 9 à 12 % en poids de Cr sont de bons candidats pour la réalisation d'échangeurs thermiques car ils présentent de bonnes propriétés mécaniques jusqu'à une température de 600°C, une forte conductivité thermique, un faible coefficient d'expansion thermique ainsi qu'un coût plus faible que celui des aciers austénitiques. Cependant, il a été montré que ces aciers forment une couche d’oxyde à croissance rapide et carburent fortement dans les conditions du circuit de conversion d'énergie (550°C, 250 bar).Cette étude a pour objectif d’étudier l’influence de différents paramètres (les impuretés présentes dans le CO2, les vitesses de rampe thermique ainsi que l’état de surface) sur le mécanisme d’oxydation d’un acier Fe-12Cr dans le CO2 à 550°C. Il est montré qu’en fonction de la valeur de ces paramètres, il est possible de former une couche d’oxyde fine protectrice en surface sans carburation. Un modèle permettant de rendre compte de l’ensemble des résultats expérimentaux est proposé.

  • Titre traduit

    Study of the first stages of oxidation of a ferritic-martensitic steel FE-12CR in CO2


  • Résumé

    In the framework of the development of Sodium Fast Reactors in France, supercritical carbon dioxide integrated in the Brayton cycle is proposed as new cycle energy conversion system to replace current steam generators. Ferritic-Martensitic steels with 9-12 wt% Cr are good candidates for heat exchanger application because they have good mechanical properties up to a temperature of 600°C, a high thermal conductivity, a low coefficient of thermal expansion and a lower cost than that of austenitic steels. However, it has been found that these steels present a high parabolic oxide growth rate and a strong carburization in the temperature and pressure conditions of the SC-CO2 cycle (550°C, 250 bar).This study aims to investigate the influence of different parameters (impurities present in CO2, thermal ramp rate and surface state) on the oxidation mechanism of a Fe-12 Cr steel in CO2 at 550°C. It has been shown that depending on these parameters, a thin protective oxide scale without any strong carburization can be obtained. A model is proposed to explain the experimental results.


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