Étude des mécanismes de dégradation sous air à haute température des gaines de combustible nucléaire en alliage de zirconium

Isabel Idarraga a soutenu sa thèse le 11 octobre 2011 à Grenoble.

Lors de certains scénarios accidentels, percement de cuve de réacteur avec entrée d’air, dénoyage de piscines de manutention, de stockage ou d’entreposage de combustibles usés, ou encore certains accidents de transport, les assemblages combustibles des Réacteurs à Eau Pressurisée (REP), peuvent se retrouver privés de leur refroidissement et exposés à l’air. Dans ces conditions, la température des assemblages s’élève et les gaines des crayons combustibles, en alliage à base de zirconium, s’oxydent. Par rapport à une oxydation sous vapeur, la vitesse de dégradation des gaines est beaucoup plus élevée, d’une part à cause de l’enthalpie élevée de la réaction zirconium-oxygène, comparée à la réaction zirconium-vapeur d’eau, et d’autre part parce que l’azote contribue à la dégradation. Des phénomènes d’emballement sont attendus qui peuvent rapidement conduire à la perte de la fonction de confinement assurée par les gaines.

L’objectif de cette thèse a été d’affiner la compréhension des mécanismes d’oxydation sous air à haute température des deux alliages de zirconium les plus utilisés dans les REP français, le Zircaloy-4 et le M5®, et de préciser le rôle de l’azote.

Des tronçons de gaines vierges de Zircaloy-4 et M5® ont été oxydés dans une thermobalance sous air en conditions isothermes à des températures comprises entre 800 °C et 1000 °C. Plusieurs techniques expérimentales (spectroscopie micro-Raman, EPMA, DRX, microscopies optique et électronique à balayage…) ont été mises en œuvre pour caractériser les couches d’oxyde. La formation et l’évolution des différentes phases qui composent ces couches (zircone monoclinique, quadratique et cubique, oxynitrure de zirconium et ZrN) ont ainsi pu être mises en évidence et analysées en fonction de l’avancement de l’oxydation. Des mécanismes d’oxydation ont été proposés, et la résistance à l’oxydation plus importante de l’alliage M5® par rapport au Zircaloy-4 a été expliquée.

Les informations recueillies permettront d’alimenter les modèles visant à prédire le comportement des gaines lors l’oxydation en situation accidentelle avec entrée d’air (transitoire de température, composition évolutive de la phase gazeuse…).