2/6 – Études du CEA sur les gainages avancés de combustible nucléaire

La sûreté des réacteurs à eau légère (REL) pourrait encore être améliorée en utilisant des matériaux de gainage de combustible tolérants aux accidents (Accident Tolerant Fuel – ATF), plus robustes dans des conditions accidentelles que ceux qui servent actuellement de première barrière de confinement.

Dans le contexte post-Fukushima, l’un des principaux objectifs pour l’ATF amélioré est de résister à l’accident de perte du refroidissement (APRP) et aux transitoires au-delà des conditions d’APRP. Le développement de ces gainages se concentre sur trois axes de recherches :

• la diminution du taux d’oxydation des matériaux de gaine exposés à la vapeur à haute température (HT) pour limiter l’échauffement et la production d’hydrogène, et obtenir un « délai de grâce » supplémentaire avant d’atteindre la fragilisation complète et la multi-fragmentation de la gaine ;
• l’amélioration des propriétés mécaniques HT ;
• l’augmentation de la marge à la fusion.

Le CEA, avec le soutien d’AREVA et EDF, étudie deux solutions potentielles. La première est un gainage avec revêtement [1,2] visant à protéger le gainage actuel en alliage de zirconium en particulier vis-à-vis de l’oxydation à la vapeur à haute température. L’optimisation de ces dernières années a conduit à sélectionner des revêtements prometteurs à base de chrome (Cr) fabriqués par un procédé de Dépôt en Phase Vapeur (PVD). La transposition du processus depuis un échantillon en feuille à la géométrie de combustible nucléaire tubulaire a été réalisée avec succès.

La seconde solution, plus innovante, consiste à concevoir une gaine « sandwich » SiC/SiC [3,4], avec une couche métallique qui garantit que la gaine est étanche, insérée entre deux couches de composé SiC/SiC pour fournir la résistance mécanique globale. Le SiC ne fond pas, présente une température de sublimation élevée (environ 2 700 °C) et une très faible cinétique d’oxydation à la vapeur à haute température, permettant à la gaine de résister à des températures très élevées. En outre, la stabilité dimensionnelle de la matière peut aussi assurer une géométrie de cœur pouvant être refroidie, et donc fiable.

La gaine de combustible à base de zirconium avec revêtement de chrome

Présentation et matériaux

Pour ce concept spécifique de gaine ATF, l’objectif principal est de retarder l’oxydation HT du substrat en alliage Zr (diminuant ainsi le relâchement d’hydrogène) pour montrer, aussi longtemps que possible, une résistance mécanique suffisante de la gaine lors de la trempe et une ductilité importante post-trempe, tout en conservant ou en améliorant la résistance à la corrosion aux conditions nominales à des températures plus basses (jusqu’à un taux de combustion élevé).