Etude du phénomène de "shadow corrosion" des alliages de zirconium dans les réacteurs à eau bouillante (REB)

par Fabien Da Fonseca

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Yves Wouters.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (laboratoire) depuis le 25-03-2019 .


  • Résumé

    Les alliages de zirconium sont principalement employés dans l'industrie nucléaire, comme tubes de gainage ou éléments de structure des réacteurs à eau légère. Ils sont soumis durant leur séjour en réacteur à de la corrosion par l'eau à haute température (de l'ordre de 300°C) et forte pression (75-150 bars suivant les réacteurs) : Zr+2H2O ->ZrO2+2H2 Ainsi, la couche d'oxyde se développe au détriment du métal et diminue la résistance mécanique du composant. En parallèle, l'hydrogène dégagé par la réaction pénètre en partie dans le métal et le fragilise. Enfin, ces deux phénomènes peuvent provoquer une déformation macroscopique du composant, nuisible à son fonctionnement ou à sa manutention. La shadow corrosion est un phénomène de corrosion particulier, observé essentiellement dans les réacteurs à eau bouillante (REB). Il se manifeste lorsque l'alliage de zirconium se trouve en contact avec ou à proximité (distance de l'ordre de 1 mm) d'un composant en alliage « plus noble », comme de l'alliage 718 (base nickel) ou de l'acier inoxydable. Une surépaisseur d'oxyde se forme en face du composant, surépaisseur généralement blanche quand le reste de l'oxyde apparaît plutôt noir. Cet oxyde dessine « l'ombre portée » du composant en alliage 718 ou en acier inoxydable, d'où le nom de « shadow corrosion ». Ce phénomène est connu depuis de nombreuses années [1]–[9], et a été étudié récemment [10], [11]. Il est décrit comme un phénomène de couplage galvanique, en milieu fortement oxydant, et assisté par l'irradiation. En particulier, les essais hors irradiation ne permettent pas – à l'heure actuelle – de reproduire le phénomène. Un travail expérimental [12] et une modélisation associée [13]–[15] sont menés depuis plusieurs années par AREVA pour mieux comprendre le phénomène, et surtout développer des remèdes. Une boucle (boucle PIERE [M. Skocic, EMCR 2015 – Troia – Portugal]) fut développée au Centre Technique d'AREVA au Creusot, permettant d'illuminer les échantillons avec du rayonnement ultraviolet, tout en les corrodant en eau à 300°C et en effectuant in situ des caractérisations électrochimiques ou photoélectrochimiques (thèse de M. Skocic, soutenue à Grenoble en mai 2016 [12]). Le rayonnement ultraviolet accélère effectivement le phénomène de corrosion du zirconium, ce qui permet de tester des solutions de protection contre la shadow corrosion. En parallèle, un modèle de couplage galvanique par éléments finis sous COMSOL ® Multiphysics, qui permet de coupler plusieurs phénomènes par leurs descriptions sous forme d'équations différentielles fut développé lors de la thèse de P. Buttin (Grenoble, 2011) [14], [15] et amélioré depuis. L'objectif de la thèse sera de développer et valider des remèdes à la shadow corrosion, basés sur les développements actuels. La compréhension des phénomènes mis en jeu fait partie intégrante du projet. Ainsi des solutions pour déplacer les potentiels électrochimiques ou augmenter la résistance du circuit pour « découpler » galvaniquement les métaux devront être étudiées. Des solutions innovantes pourront bien sûr être envisagées (modification de l'alliage, de la chimie de l'eau…). L'évolution et la pérennité des solutions au cours de la corrosion et de l'irradiation en réacteur seront des notions importantes à prendre en compte. Le moyen principal d'essai sera la boucle PIERE et la thèse s'inscrira donc dans la poursuite du travail réalisé par M. Skocic. Les études électrochimiques in situ (potentiel d'abandon, courant d'échange, spectroscopie d'impédance…) permettront au candidat de déterminer les phénomènes pilotant la corrosion dans ces conditions, dans le but de les extrapoler au comportement en réacteur à eau bouillante. Les données et paramètres de ces essais seront intégrés dans un modèle numérique de couplage galvanique disponible chez Framatome soit par le doctorant, soit en support au doctorant par un chercheur de Framatome. Le modèle sera si besoin amélioré. En parallèle, les échantillons issus de ces essais seront caractérisés par différents moyens.

  • Titre traduit

    Study of the shadow corrosion phenomenon of zirconium alloys in boiling water reactors (BWR)


  • Résumé

    To be done