zircaloy

Le Zircaloy est une famille d'alliages à base de zirconium développée spécifiquement pour le gainage de combustible dans les réacteurs nucléaires. Le métal de base est le zirconium, un métal de transition avec une faible section efficace d'absorption neutronique, le rendant presque transparent aux neutrons. Les principaux éléments d'alliage sont l'étain, le fer, le chrome et le nickel, ajoutés en quantités contrôlées pour améliorer la résistance, la résistance à la corrosion et les propriétés mécaniques aux températures de fonctionnement du réacteur.

Les deux grades les plus courants sont le Zircaloy-2 et le Zircaloy-4. Le Zircaloy-2, contenant environ 1,2 à 1,7 % d'étain, 0,07 à 0,13 % de fer et 0,05 à 0,15 % de chrome, a été développé en premier et reste standard dans les réacteurs à eau bouillante. Le Zircaloy-4, avec une teneur en étain similaire mais des spécifications légèrement différentes pour le fer et le chrome et sans nickel, est devenu le choix dominant pour les réacteurs à eau pressurisée. La distinction reflète des exigences différentes: la chimie du réfrigérant des réacteurs à eau bouillante nécessite une meilleure résistance à la corrosion aux espèces ioniques, tandis que les conditions des réacteurs à eau pressurisée favorisent des caractéristiques mécaniques différentes.

Le gainage en Zircaloy doit résister à des températures comprises entre 300 et 360 degrés Celsius, aux pressions internes des gaz de fission et à la fragilisation induite par l'irradiation pendant des années de service. L'alliage présente une bonne ductilité à ces températures, conserve sa résistance sous cyclage thermique et forme une couche d'oxyde protectrice qui empêche une corrosion supplémentaire. Lorsque le gainage cède, généralement par fissuration par corrosion sous contrainte ou hydruration, les produits de fission peuvent s'échapper dans le réfrigérant du réacteur, nécessitant un arrêt rapide et une remédiation.

Fabrication et limites

Le Zircaloy est fabriqué en tubes par extrusion et laminage à pas de pèlerin, des processus qui alignent la structure cristalline hexagonale pour améliorer les propriétés anisotropes. Le matériau répond au traitement thermique, et un traitement thermique post-soudage est essentiel après toute réparation de gainage. Le coût par kilogramme est substantiellement plus élevé que celui de l'acier inoxydable, mais l'économie neutronique d'un cœur de réacteur justifie la dépense sur les milliers de barres de combustible d'un cœur typique.

Le problème d'absorption d'hydrogène est significatif. Le Zircaloy absorbe l'hydrogène de la radiolyse de l'eau et des réactions de corrosion; l'hydrogène se dissout dans le métal et forme des précipités d'hydrure de zirconium fragiles qui réduisent la ductilité et augmentent la susceptibilité à la fissuration. Les conceptions modernes de combustible intègrent des capteurs d'oxygène et des matériaux absorbants sacrificiels pour atténuer ce mécanisme de vieillissement. Après l'accident de Fukushima, les réactions Zircaloy-vapeur à haute température ont démontré que l'intégrité du gainage ne peut être présumée lors d'événements dépassant les bases de conception.