Corrosion des aciers austénitiques par le sodium liquide en présence d’oxygène

Austenitic steel corrosion by oxygen-containing liquid sodium

• Auteur / Autrice : Matthieu Rivollier
• Direction : Marie-Laurence Giorgi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 21/03/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Fiqiri Hodaj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Courouau, Fanny Balbaud, Christian Latgé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Mangelinck, Stéphane Mathieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux liquides

Sodium liquide

Acier austénitique

Corrosion

Mots clés libres

Corrosion

Sodium

Acier austénitique

Métal liquide

Corrosion

Sodium

Austenitic steel

Liquid metal

Résumé

La France prévoit de construire des réacteurs nucléaires de 4e génération. Ils utiliseraient du sodium liquide comme fluide caloporteur et seraient construits en acier austénitique 316L(N). Afin de garantir un fonctionnement optimal, la tenue de cet acier doit être vérifiée. Pour cela, la corrosion de l’acier 316L(N) par le sodium liquide doit être bien connue.La littérature montre que plusieurs phénomènes de corrosion sont possibles. Pour chacun de ces phénomènes, l’influence de la présence d’oxygène dans le sodium est grande. Nous avons donc étudié la corrosion des aciers austénitiques par le sodium liquide en présence d’oxygène.Les données thermodynamiques permettent de montrer que la formation de chromite de sodium est possible sur les aciers austénitiques immergés dans le sodium contenant de l’ordre de 10 μg.g-1 d’oxygène pour des températures inférieures à 650 °C (conditions réacteurs).L’étude expérimentale montre que la chromite de sodium se forme à 650 °C dans le sodium contenant 200 μg.g-1 d’oxygène. À cette même concentration et à 550 °C, la chromite de sodium est observée avec certitude uniquement pour les longues durées d’immersion (>5000 h). Les résultats à 450 °C sont moins évidents. Par ailleurs, l’acier est appauvri en chrome dans toutes les conditions étudiées.Ces résultats suggèrent que la chromite de sodium se dissout dans le sodium au fur et à mesure de sa formation. Des modèles de formation de la chromite de sodium, approchéelimitée par la diffusion du chrome dans l’acier (en volume et aux joints de grains) et de dissolution, supposée limitée par le transport dans le métal liquide ont permis de montrer que la formation et la dissolution simultanée de la chromite de sodium est un mécanisme possible pour expliquer nos résultats.

France is planning to construct the 4th generation of nuclear reactors. They will use liquid sodium as heat transfer fluid and will be made of 316L(N) austenitic steel as structural materials. To guarantee optimal operation on the long term, the behavior of this steel must be verified. This is why corrosion phenomena of 316L(N) steel by liquid sodium have to be well-understood.Literature points out that several corrosion phenomena are possible. Dissolved oxygen in sodium definitely influences each of the corrosion phenomenon. Therefore, the austenitic steel corrosion in oxygen-containing sodium is proposed in this study.Thermodynamics data point out that sodium chromite formation on 316L(N) steel is possible in sodium containing roughly 10 μg.g-1 of oxygen for temperature lower than 650 °C (reactor operating conditions).The experimental study shows that sodium chromite is formed at 650 °C in the sodium containing 200 μg.g-1 of oxygen. At the same concentration and at 550 °C, sodium chromite is clearly observed only for long immersion time (>5000 h). Results at 450 °C are more difficult to interpret. Furthermore, the steel is depleted in chromium in all cases.The results suggest the sodium chromite is dissolved in the sodium at the same time it is formed. Modelling of sodium chromite formation - approached by chromium diffusion in steel (in grain and grain boundaries -, and dissolution - assessed by transport in liquid metal - show that simultaneous formation and dissolution of sodium chromite is a possible mechanism able to explain our results.