Modèle local de corrosion sous contrainte intergranulaire des alliages de nickel exposés aux zones confinées du circuit secondaire des réacteurs à eau sous pression

Intergranular stress corrosion cracking model of nickel-base alloys exposed to confined areas of the secondary circuit of pressurized water reactors

• Auteur / Autrice : Pierre Mestre-Rinn
• Direction : Cécilie Duhamel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Marcus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécilie Duhamel, Lydia Laffont, Frédéric Christien, Ian de Curières, Romain Verlet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lydia Laffont, Frédéric Christien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression

Oxydation

Corrosion sous contrainte

Mots clés libres

Corrosion sous contrainte

Alliage 600

Zones confinées

Circuit secondaire

Oxydation

Amorçage

Stress corrosion cracking

Alloy 600

Flow restricted zones

Secondary circuit

Oxidation

Initiation

Résumé

La corrosion sous contrainte (CSC) des tubes de générateur de vapeur (GV) du côté secondaire est une des causes principales du vieillissement du parc des Réacteurs à Eau sous Pression (REP). La CSC se produit dans des zones confinées où les impuretés de l'eau du circuit secondaire peuvent se concentrer et former localement des milieux chimiques potentiellement agressifs. La composition des zones confinées peut être très variée, ce qui rend difficile l'extrapolation de modèles empiriques de prévision de la CSC développés dans les dernières décennies. Un modèle dit local a été proposé pour prévoir la cinétique de CSC de l'alliage 600 exposé au milieu primaire, sur la base d'un scénario de fissuration comprenant une phase d'incubation par l'oxydation intergranulaire, l'amorçage par la rupture d'un joint de grains oxydé et la propagation de la fissure. L'objectif de la thèse est d'adapter le modèle local aux milieux secondaires actuels et fondé sur la phénoménologie voire les mécanismes de la dégradation de l'alliage 600 dans ces milieux. Pour cela, un choix restreint de paramètres d'intérêt (pH, conductivité du milieu) du côté secondaire ont été identifiés dans un lot de milieux modèles des zones confinées. L'effet de paramètres microstructuraux (teneur en chrome et densité de carbures de chrome des joints de grains) a également été évalué. Les résultats obtenus montrent que la cinétique d'oxydation intergranulaire et la sensibilité à la CSC augmentent avec la conductivité du milieu. La présence d'appauvrissement en chrome des joints de grains a un effet néfaste sur leur résistance à l'oxydation qui peut être en partie contrebalancer par les précipités de chrome intergranulaires. Un critère de rupture des joints de grains oxydés reliant l'écart de la contrainte locale à la limite d'élasticité et à la profondeur d'oxyde intergranulaire a été identifié. Les essais d'oxydation et d'amorçage de fissures ont permis de proposer une approche quantitative permettant de prévoir les conditions et la cinétique d'amorçage de fissures dans les zones confinées des GV pour divers milieux modèles et d'y inclure les effets de la composition locale des joints de grains. Enfin, la viabilité du modèle développé a été évaluée par des essais de CSC sur des tubes en alliage 600 de générateur de vapeur, plus représentatifs des composants présents sur site industriel.

Stress corrosion cracking (SCC) of steam generator (SG) tubes on the secondary side is one of the major causes of the Pressurized Water Reactors (PWR) aging. SCC occurs in flow restricted zones where impurities of the secondary circuit can concentrate and locally form potentially aggressive chemical media. The composition of flow restricted zones can be variable, which tends to make the extrapolation of empirical models for the prevision of SCC developed in the last decades difficult. A local model was proposed to predict the SCC's kinetic of alloy 600 exposed to primary medium, on the base of cracking scenario including an incubation phase by intergranular oxidation, initiation by the breakage of an oxidized grain boundary and propagation of the crack. The thesis' objective is to adapt the local model to current secondary media and based on phenomenology or even mechanisms of alloy 600 degradation in these media. For this, a restricted choice of parameters of interest (pH, conductivity of the medium) on the secondary side were identified for a batch of flow restricted zones model media. The effect of microstructural parameters (chromium amount and chromium carbide density at the grain boundaries) was also evaluated. The results show that the intergranular oxidation kinetic and the sensitivity to SCC increase with the medium conductivity. The presence of chromium depletion has a detrimental effect on their resistance to oxidation which can be counterbalanced by intergranular chromium precipitates. A cracking criterion of the oxidized grain boundaries linking the local stress to the elastic limit and the intergranular oxide depth was identified. Oxidation and crack initiation tests allowed to propose a quantitative approach allowing to predict the and conditions and crack initiation kinetic in SG's flow restricted zones for various model media and to include the effects of local composition of grain boundaries. Finally, the viability of the developed model was evaluated by SCC tests on alloy 600 SG tubes, which are more representative of components present on industrial sites.