Tous les niveaux de la filière nucléaire sont concernés par le choix des matériaux métalliques : du cœur du réacteur avec les assemblages de combustibles, aux gaines des « crayons » combustibles, à la cuve, aux organes périphériques avec les échangeurs de chaleur entre le fluide caloporteur circulant dans le cœur et la vapeur alimentant les turbines. Sans oublier les installations de retraitement, les cuves de dissolution des combustibles usagés, les dispositifs de préparation et de coulée du verre de stockage des déchets ultimes et les sites de stockage des déchets ultimes.

Le choix des matériaux métalliques 

Quel que soit le domaine d’activité, le design des produits et le choix des matériaux dépendra des conditions de service de l’équipement à réaliser. Et dans le domaine du nucléaire, ces conditions de service sont étroitement liés aux paramètres suivants :

• Durées de vie d’installation longue (40 à 60 ans), associées à des durées de vie « produit » variables
  • Pièces permanentes (comme la cuve, la virole, installée pour plus d’un demi-siècle)
  • Pièces durables mais remplaçables (couvercle de cuve, tubes d’échangeurs)
  • Consommables (assemblages de combustibles, absorbeurs de neutrons)
• Taux de marche élevé (en raison du coût des arrêts)
• Facteurs environnementaux plus ou moins extrêmes
  • Travail sous irradiation (zone du cœur) ou en milieu corrosif
  • Hauts niveaux de sollicitations (fatigue thermique, vibratoire, fluage pour des T°C > 350°C, fretting) principalement au niveau du pressuriseur, du générateur de vapeur ou de la cuve/couvercle.

L’ensemble de ces facteurs ont forcément une influence sur les matériaux au cours du temps : on parle alors de phénomène de vieillissement au sens large pour inclure à la fois l’évolution des propriétés physiques et mécaniques des matériaux mais également les éventuelles possibilités d’érosion ou/et de corrosion.

On comprend dès lors aisément que le choix des matériaux est primordial pour le fonctionnement optimal des réacteurs et qu’il est essentiel de développer, en parallèle des matériaux en eux-mêmes, des technologies pour suivre la matière tout au long de la vie de l’équipement. A ce titre, le secteur du nucléaire travaille activement au développement de contrôles dits non-destructifs (C.N.D.) tels que le ressuage, la magnétoscopie, les technologies par vision à haute résolution, les ultrasons multiéléments phases Array, etc.

Face à cet ensemble des sollicitations chimiques et mécaniques, le secteur du nucléaire est amené à utiliser plusieurs grandes familles de matériaux métalliques :

• Les aciers de constructions traités thermiquement pour les pièces fortement sollicitées mécaniquement
• Les aciers inoxydables (ferritique, martensitique, austénitique, duplex) pour la tenue à l’oxydation et à la corrosion
• Les alliages de zirconium
• Les alliages base nickel, pour les hautes températures

La fabrication des cuves, viroles, couvercles par forgeage est une opération complexe, compte tenu de la taille des pièces à réaliser tant au niveau de la conduite du moyen de production qu’au niveau de la qualité du demi-produit. Avant forgeage, il est nécessaire de s’assurer que la composition chimique est respectée en tout point du lingot. Un travail particulier est apporté à la minimisation de la teneur en cuivre et à la présence des macro-ségrégations.

Dans la majeure partie des cas, les équipements sont des assemblages mécano-soudés, ce qui implique une extrême rigueur lors de la réalisation des joints soudés, considérés comme des zones sensibles.

Le nucléaire à l’horizon 2030

Plusieurs projets de centrales de quatrième génération, tous aussi ambitieux les uns que les autres, illustrent les défis que devra relever le nucléaire du futur :

• Les réacteurs à neutronsrapides (RNR) auquel il est possible d’associer différents caloporteurs : le sodium (RNR-Na, projet ASTRID), le plomb (RNR-Pb), ou des gaz (RNR-gaz, projet ALLEGRO),
• Les réacteurs nucléaires à très haute température (T°C>1000°C), sous hélium gazeux, pour la production d’hydrogène à partir de l’hydrolyse de l’eau.
• Les technologies refroidies à l’eau supercritique, avec l’utilisation d’eau supercritique (>221 bars, > 374°C) dans laquelle vapeur et liquide sont indissociables.
• Les réacteurs à sels fondus à base de thorium, qui présentent des caractéristiques uniques du fait de la nature liquide de leur combustible, qui est aussi le caloporteur, porté à 600-700°C.

Point commun à chacune de ces technologies, une température de travail augmentée dans le but d’accroitre le rendement des installations. Plus productifs mais nécessitant des conditions de plus en plus extrêmes, ces réacteurs de nouvelle génération mettront indubitablement les matériaux qui les composent à rude épreuve, ce qui aura un impact significatif sur leur durée de vie. Des effort doivent donc être fait pour renforcer les alliages actuellement sélectionnés pour les générateurs de deuxième génération et un vaste travail de recherche et de caractérisation doit être entrepris afin de choisir judicieusement les matériaux qui se comporteront le mieux dans des milieux de plus en plus agressifs.

Le site du collectif Metallo Corner : www.metallocorner.fr