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Etude de l’'hydrogène dans les gaines de combustible des Réacteurs à Eau sous Pression (REP)
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En haut : Image BSE d’un échantillon de gaine Zy4 et cartographie du fer, faites sur la microsonde électronique de DEN/DMN/SRMA
En bas : cartographies de H et Fe, obtenues sur la microsonde nucléaire du LEEL

La présence d'hydrogène et sa distribution à l'échelle microscopique dans les matériaux ont des effets importants sur leur comportement mécanique ainsi que sur leur résistance à la corrosion. Ce phénomène revêt une importance toute particulière dans le cas des gaines de combustible des Réacteurs à Eau sous Pression (REP), qui doivent assurer durant toute la vie de l'assemblage leur tripe rôle :

  • tenue mécanique du combustible
  • écoulement efficace de l'eau du circuit primaire servant de caloporteur et assurant le refroidissement des crayons combustible
  • première barrière de confinement des produits de fission et actinides formés dans le combustible sous l'action du flux neutronique

Dans le cœur du réacteur, la gaine, composée d'alliages à base de zirconium, baigne dans l'eau du circuit primaire, à une température de 360°C sous 150 bar. Par réaction chimique entre le zirconium de la gaine et l'eau du cœur, une couche de zircone, ZrO2, se forme à la surface extérieure de la gaine. Une partie de l'hydrogène ainsi libérée peut migrer lentement dans la gaine pour atteindre, en fin de vie de la gaine, après 7 cycles, une concentration maximale de 700 wt. ppm. Pendant la phase de refroidissement, on observe une redistribution, conduisant à la formation de zones de concentration en H très inhomogènes et à la formation d'hydrures, de tailles et teneurs fortement liées au scénario de refroidissement.

 La mesure de l'hydrogène est effectuée par Elastic Recoil Detection Analysis (ERDA). Un faisceau d'ions 4He+ est envoyé sur la cible à étudier, avec une énergie de 3 MeV, suffisante pour entraîner l'éjection des atomes d'hydrogène. Leur détection, par un détecteur à barrière de silicium permet d'obtenir leur distribution, sous forme de cartographies, et de déduire les teneurs associées.

 La distribution de l'hydrogène a été étudiée en collaboration avec DEN/DMN/SEMI et DEN/DMN/SRMA à l'aide de la microsonde nucléaire dans deux situations principales :

 

maj : 05-11-2013 (1553)