MANIFESTATIONS 2011

15 juin 2011 à l'Ecole des Mines de Saint-Etienne :
MATERIAUX ET ENERGIE NUCLEAIRE
organisée par le CEM avec l'appui d'AREVA et le Département Matériaux et Procédés de l’ARDI Rhône Alpes, et avec le soutien du Pôle Technologique de Bourgogne

La journée organisée à l’Ecole des Mines de Saint Etienne le 15 juin 2011 conjointement par le Cercle d’Etudes des Métaux, AREVA et le Département Matériaux et Procédés de l’ARDI Rhône Alpes, avec le soutien du Pôle Technologique de Bourgogne, a rassemblé 80 participants répartis de la manière suivante : 55% d’industriels, 10% d’institutionnels et 35% de centres techniques et universitaires. La moitié de ces participants était issue de la région Rhône Alpes. Douze sujets ont été présentés au cours de cette journée, avec des thèmes correspondant aux matériaux utilisés, aux différents types d’endommagement et à l’apport de la simulation pour l’étude des mécanismes d’irradiation. De nouvelles solutions matériaux ont également été présentées avec des perspectives intéressantes d’utilisation.


Présentation de l'école par Didier Bernache-Assolant

Un exposé introductif a présenté les enjeux industriels avec l’augmentation de la longévité des centrales, dans un premier temps à 40 ans, puis dans un deuxième temps à 60 ans, ainsi que l’augmentation des puissances de 900 à 1600 MW et la nécessité d’une plus grande sécurité et d’une augmentation de la taille des composants. Dans l’ensemble, les concepteurs, constructeurs et exploitants se sont moins attachés à l’introduction de nouveaux matériaux qu’à l’amélioration de matériaux conventionnels dont le comportement bénéficiait déjà d’une très bonne connaissance par l’emploi hors nucléaire. Les études et développements ont donc porté sur les endommagements spécifiques en milieu nucléaire : endommagement sous irradiation, corrosion en milieu primaire, tenue au vieillissement thermique, résistance à la fatigue vibratoire, résistance à la fatigue thermique. Les matériaux évoqués lors de cette journée ont donc été successivement l’acier au C-Mn-Ni-Mo (16MnNiMo5) pour les cuves de réacteurs, les aciers inoxydables austénitiques type 304, 316, pour les tubulures du circuit primaire, les parties moulées de ces mêmes circuits en acier austéno-ferritique, les alliage base Ni (IN600 et IN690) pour les tubes de GV en et les alliages de zirconium (Zr-Sn et Zr-Nb) pour les gainages du combustible. Les progrès réalisés se sont concentrés sur l’abaissement des résiduels (S, P, Cu…), en liaison avec les effets maintenant connus de l’irradiation sur le déplacement des courbes de transition de la résilience des matériaux de structure ferritique, et sur les moyens d’élaboration soignée de lingots de très grande taille (lingots pleins et lingots creux).

Dans les centrales EPR, les problèmes se situent au niveau du vieillissement des aciers ferritiques, martensitiques et duplex au dessus de 250°C (d’où une limitation de la ferrite à 20% pour les duplex), de la corrosion sous contrainte au niveau des soudures avec l’IN600, d’où l’évolution vers l’IN690 plus chargé en chrome et un nouvel alliage pour les soudures.

Dans les centrales à eau bouillante, on retrouve à peu près les mêmes phénomènes de dégradation des composants (fatigue, vieillissement, corrosion sous contrainte), avec un problème important au niveau des alliages de rechargement et la nécessité d’une limitation du cobalt. Un programme important a été lancé en Allemagne pour l’optimisation d’alliages de rechargement sans cobalt.

Dans les centrales de quatrième génération qui font l’objet du programme ASTRID (Advanced Sodium Technological Reaction for Industrial Demonstration), les matériaux utilisés pour résister à des températures de 550°C sont l’acier 316L(N) et le 9%Cr (+V+Nb). Ces matériaux sont utilisés pour les centrales thermiques avec un fonctionnement à 620°C. Un gros programme de caractérisation a été lancé dans le cadre du projet ASTRID, notamment en vue de la tenue au phénomène de fatigue fluage jusqu’à des durées de 14 ans.

L’importance de l’état de surface a fait l’objet d’une présentation avec l’examen de quatre cas industriels bien ciblés. Il apparaît en particulier l’influence très néfaste d’une couche écrouie en surface sur la résistance à la fissuration en fatigue et la nécessité de faire un traitement de détensionnement après un meulage sévère. Par ailleurs, un oxyde préexistant sur alliage base nickel peut être utile pour la résistance à la corrosion sous contrainte en milieu primaire et le niveau de propreté de surface a une très grande importance dans le largage de tubes de GV en alliage 690.

Les éléments de gainage du combustible en alliage de zirconium ont également fait l’objet d’un exposé avec la description complète du cycle de fabrication des tubes, avec optimisation de ce cycle en vue d’une bonne résistance à la corrosion et à la déformation sous irradiation. L’exposé montre également l’apport de la modélisation pour l’établissement de la gamme de transformation et de traitement.

Les deux exposés suivants ont été relatifs aux effets de l’irradiation sur le comportement mécanique des aciers et notamment le phénomène de fragilisation. La prédiction des évolutions de ces propriétés est capitale pour la détermination de la durée de fonctionnement des réacteurs. Des efforts importants ont été mis en œuvre dans le cadre du projet européen PREFORM60 pour la prévision de l’évolution des propriétés mécaniques des aciers inoxydables austénitiques destinés au circuit primaire et des aciers au carbone (16MnNiMo5) pour la cuve du réacteur. La fragilisation par irradiation des aciers de cuve au droit des assemblages de crayons de combustible fait l’objet d’un suivi expérimental sur éprouvettes d’essais mécaniques placées dans la cuve, extraites et testées périodiquement selon un programme dit de surveillance de l’irradiation (PSI). Il a été ainsi obtenu une base de données de fragilisation jusqu’à des doses d’irradiation dépassant largement celles prévues par quatre périodes décennales de fonctionnement et susceptible de fournir une formule prédictive de l’évolution des caractéristiques mécaniques.


L’exposé suivant a montré la faisabilité d’obtention de tôles de fortes épaisseurs (140 et 210 mm) en acier à 9%Cr (X10CrMoVNb9-1) développé dans les années 80 aux USA pour les centrales thermiques sur des épaisseurs plus faibles (50 mm). Ce travail a été réalisé aussi bien sur métal de base après traitement thermique pour avoir une structure entièrement bainitique (trempe à l’eau) que sur joint soudé et zone affectée thermiquement par la soudure. Les résultats obtenus sur métal de base et sur zone affectée thermiquement sont tout à fait satisfaisants, par contre, des développements sont encore nécessaires au niveau des produits d’apport.

Les deux exposés suivants ont été relatifs aux alliages base nickel (IN 690) pour tube de GV, avec la partie réalisation par extrusion et traitement thermique susceptible de donner les meilleures garanties de résistance à la corrosion sous contrainte (décoration uniforme des joints de grains) et la partie suivi in situ de l’oxydation et du largage en milieu primaire. Il a été mis au point un dispositif expérimental innovant permettant de suivre l’épaisseur d’oxyde formé par réflectométrie et le relâchement en ligne par analyse ICP-MS, dont les perspectives sont tout à fait prometteuses.

Le dernier exposé a montré les possibilités offertes par la métallurgie des poudres et la compaction isostatique à chaud pour l’obtention de pièces de grandes dimensions obtenues traditionnellement, soit par forgeage, soit par moulage. L’industrie nucléaire pourrait bénéficier des bons résultats obtenus sur de telles pièces dans l’off shore, l’aérospatiale et le transport du gaz. L’obtention d’une très bonne répartition d’inclusions de petite taille est tout à fait intéressante pour les propriétés de tenue à la fatigue et à la corrosion, même si les teneurs en oxygène des produits obtenus est supérieure à celle que l’on peut avoir sur pièces forgées. La compaction isostatique à chaud permet également de réaliser des bimatériaux avec des soudages diffusion d’excellente qualité.

Ce colloque organisé par l’Ecole des Mines d’Albi, l’A3TS et le CEM se donnait pour objectif de faire le point sur l’évolution des aciers pour moules et outils : le développement de nouvelles nuances, leur fabrication, les performances en service, les traitements de surface. Il a rassemblé une soixantaine de personnes représentant les producteurs et utilisateurs de ces aciers, ainsi que les centres techniques et universitaires. Ce colloque a montré que face aux exigences croissantes des clients prescripteurs l’activité de recherche et développement était intense et les innovations et progrès nombreux. La visite des laboratoires de l’Ecole des Mines d’Albi travaillant sur ces matériaux a permis aux participants de bien mesurer la qualité des efforts de R et D dévolus à ces problèmes.
Quelques tendances lourdes déjà perceptibles lors du précédent colloque en 2007 ont reçu une ample confirmation. Selon les applications (outillage à chaud et outillage à froid) les performances des matériaux dépendent d’un compromis judicieux entre tenue à l’usure (usure par abrasion et usure par adhésion), ténacité, tenue en fatigue, aptitude au polissage et aux traitements de surface. Face aux exigences croissantes de durée de vie des outillages, il était remarquable que la problématique métallurgique de ces matériaux commençât à ressembler à celle des aciers pour haute tenue en endurance (type aciers pour roulement). De telles contraintes ont des conséquences importantes sur l’évolution des nuances :

- Les aciers alliés au chrome molybdène vanadium à haut carbone ne sont plus nécessairement optimaux et on observe une tendance à aller vers des nuances moins chargées en carbone, y compris vers des nuances dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues par des mécanismes de durcissement structural dans des martensites douces, comme dans les aciers maraging.
- Cette évolution semble même conduire vers des nuances se rapprochant de nuances type aéronautique, durcies par précipitation de carbures au revenu. La présence de 8% à 15% de cobalt dans ces nuances, par son coût, limite toutefois leur diffusion.
- Les exigences d’aptitude au polissage peuvent imposer des niveaux de propreté qui sont celles de métal refondu sous vide par les procédés VIM/VAR.

Bien entendu la simulation numérique tient une place considérable dans l’analyse du comportement en service :
- Simulation de l’évolution thermique des matrices
- Répartition des contraintes mécaniques autour de l’empreinte
- Modélisation de la circulation des particules abrasives ( problématique du 3° corps en tribologie) issues de la dégradation du moule par un contact haute température.

Les auditeurs du colloque auront retiré l’impression réconfortante que malgré le cri d’alarme lancé récemment par l’Académie des Sciences sur la pérennité des recherches sur les matériaux métalliques, il y avait encore, aux plans national et européen, des équipes actives et de talent.