Modélisation des phénomènes de corrosion du Zircaloy-4 sous mélanges oxygène-azote à haute température

Modelling of Zircaloy-4 degradation in oxygen and nitrogen mixtures at high temperature

• Auteur / Autrice : Marina Lasserre-Gagnaire
• Direction : Michèle Pijolat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie des procédés
• Date : Soutenance le 17/12/2013
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE
• Ecole(s) doctorale(s) : ED SIS 488
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Radioprotection et de sûreté Nucléaire
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Chevalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michèle Pijolat, Sébastien Chevalier, Yves Wouters, Daniel Monceau, Martin Steinbrück, Jean-Paul Mardon, Olivia Coindreau, Véronique Peres
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Wouters, Daniel Monceau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Croissance cristalline

Cinétique chimique

Thermogravimétrie

Zircaloy (marque déposée)

Corrosion

Mots clés libres

Corrosion sous air

Zircaloy-4

Thermogravimétrie

Réaction solide-gaz

Modèle cinétique

Méthode des décrochements

Germination-croissance

Modèle de Mampel

Air corrosion

Zircaloy-4

Thermogravimetric analysis

Solid - gas reaction

Kinetic modelling

Jumps method

Nucleation-Growth

Mampel’s mode

Résumé

Les gaines de zircaloy-4, assurent la première barrière de confinement des combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée. Plusieurs situations accidentelles au cours desquelles les gaines de crayons combustibles sont exposées l’air à haute température ont été envisagées. L’azote généralement utilisé en tant que gaz inerte, joue un rôle primordial lorsqu’il est combiné à l’oxygène à haute température. Les courbes cinétiques obtenues par la technique de thermogravimétrie révèlent la présence de deux domaines cinétiques : le domaine pré-transitoire et le domaine post-transitoire. Durant le domaine post-transitoire, la vitesse de corrosion augmente. Les images obtenues en microscopie optique révèlent l’existence de régions corrodées caractérisées par une couche de zircone poreuse et par la présence de précipités de nitrure de zirconium (ZrN) à l’interface métal - oxyde. La corrosion des plaquettes de Zy4 à 850°C sous mélanges oxygène - azote a été étudiée durant le domaine post-transitoire. Trois réactions successives permettent d’expliquer la présence des différentes phases. Ainsi, la dégradation catastrophique du métal est due à la progression auto-catalysée par ZrN du front de croissance des zones attaquées.Les hypothèses de modélisation ont été validées durant le domaine post-transitoire. L’étape déterminante a été identifiée. La réaction d’interface externe du mécanisme d’oxydation des précipités de ZrN impose sa vitesse aux autres étapes du mécanisme de croissance des régions corrodées. Par analogie avec les modèles de germination - croissance utilisés dans le cadre de la transformation thermique des poudres, nous avons pu décrire l’évolution des zones attaquées.

Zircaloy-4 claddings provide the first containment of UO2 fuel in Pressurised Water Reactors. It has been demonstrated that the fuel assemblies cladding could be exposed to air at high temperature in several accidental situations. When mixed to oxygen at high temperature, the nitrogen, usually used as an inert gas, causes the accelerated corrosion of the cladding.The kinetic curves obtained by thermogravimetry reveal two stages: a pre-transition and a post-transition one. In the post-transition stage, the kinetic rate increases with time. Images obtained by optical microscopy of a sample in the post-transition stage reveal the presence of corroded zones characterized by a porous scale with zirconium nitride precipitates at metal - oxide interface. Corrosion of Zy4 plates at 850°C under mixed oxygen - nitrogen atmospheres has been studied during the post-transition stage. A sequence of three reactions is proposed to explain the mechanism of nitrogen-enhanced corrosion. The accelerating effect of nitrogen in the corrosion scale can therefore be described on the basis of an autocatalytic effect of the zirconium nitride precipitates. Then, it is demonstrated that the steady-state approximation as well as the existence of an elementary step controlling the growth process are valid during the post-transition stage. The rate-determining step is identified as the external interface reaction step of the oxidation of the zirconium nitride precipitates. Finally, a nucleation and growth model used for thermal reactions in powders is used to describe both the nucleation and the growth of the attacked regions.