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 :

• Situation de fonctionnement normal : état de la gaine irradiée en fin de vie du crayon, après une période de fonctionnement nominal dans un cœur de réacteur du parc français. Mesures effectuées dans CASIMIR (Chambre d'Analyse de Surfaces et d'Interfaces de Matériaux IRradiants).
• Situation accidentelle simulée : gaines de combustible non irradiées, soumises à des conditions thermomécaniques et thermochimiques représentatives d'un Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)