Le LECI pour tout connaître des matériaux irradiés

Vieillissement, usure, durée de vie, l’industrie nucléaire a depuis longtemps besoin d’indications fiables sur les matériaux de ses installations. D’autant plus à l’heure du Grand carénage et de la prolongation des réacteurs du parc. Laboratoire «chaud» dédié à la caractérisation des matériaux irradiés, le LECI, sur le site du CEA de Saclay, est depuis 1959 une référence sur ce sujet.

Mis en service en 1959, le Laboratoire s’est d’abord consacré aux études des combustibles irradiés – d’où son nom LECI, pour Laboratoire d’études des combustibles irradiés. Mais depuis les années 1990, le site s’est tourné vers l’ensemble des matériaux non fissiles irradiés des réacteurs en service et à venir, en complément d’un autre laboratoire « chaud » de la direction de l’énergie nucléaire du CEA. En effet, le LECA STAR, à Cadarache, a désormais repris la recherche sur les matériaux combustibles. De par la grande variété d’équipements disponibles, le LECI figure parmi les plus hauts standards au niveau européen.

Doté au départ de deux lignes d’enceintes blindées, respectivement mises en service en 1959 et 1970, le LECI dispose, depuis 2005, d’une nouvelle ligne «double», dont une caractéristique est d’avoir été conçue pour un démantèlement facilité. Les enceintes sont en effet des caissons étanches en acier, entourés de panneaux en plomb, qui ermettront, lors de la fin de vie de l’installation, de compacter les cubes d’acier (les cellules) après avoir ôté le plomb. Un progrès par rapport au béton utilisé majoritairement sur une des lignes historiques qu’il faudra décontaminer avant son démantèlement. 

Caractériser les matériaux

La principale activité du LECI consiste à caractériser les métaux irradiés, « tout ce qui est métal non fissile, et notamment les alliages de zirconium constituant les gaines des assemblages combustibles ou encore les aciers des cuves et des structures internes des réacteurs », indique Aurore Michaux, chef du Laboratoire de caractérisations physico-chimiques des matériaux irradiés à la direction de l’énergie nucléaire du CEA. Il faut ensuite étudier leur comportement en conditions normales de service, mais aussi en conditions incidentelles, accidentelles et pour leur transport et entreposage. Enfin, grâce à ce travail de caractérisation, complété par des travaux de modélisation et des simulations, le LECI permet d’établir les lois de comportement et de donner des prévisions sur la durée de vie des matériaux en service. Il s’agit d’un point particulièrement utile quand l’exploitant qu’est EDF entend pro￾longer la durée de fonctionnement d’équipements irremplaçables, comme les cuves des réacteurs.

Visite des enceintes les plus récentes du LECI

Le LECI est une Installation nucléaire de base (INB n°50), protégée par une cascade de dépressions, palpables dès le premier pied dans la partie «active» du bâtiment. Un alignement de cellules (19 enceintes blindées) s’étend de part et d’autre d’une «zone arrière» qui permet l’acheminement des «châteaux» et des matériaux irradiés dans les cellules. 

Chaque enceinte blindée, dotée d’un hublot pour les téléopérateurs, contient un équipement spécifique permettant de caractériser les matériaux sous diverses sollicitations, telles que celles qui seront ou pourraient être rencontrées dans les réacteurs. Une cellule est dédiée à l’entreposage et constitue une véritable «banque» de matériaux irradiées ayant subi les pires traitements. 

Prévoir le comportement des matériaux irradiés

Lieu de recherche, le LECI l’est, car il s’agit pour le CEA d’élaborer une science à même de prévoir le comportement d’alliages métalliques soumis à des environnements agressifs. Chaque cellule permet ainsi d’acquérir une bonne connaissance des caractéristiques des matériaux employés en termes de microstructure, de résistance mécanique, de ductilité et de résistance à la corrosion. Il s’agit notamment d’identifier les modifications induites par le bombardement neutronique sur ces aciers, alliages de zirconium et autres matériaux grâce à des irradiations réalisées sur de grands outils expérimentaux (des réacteurs de recherche) qui simulent leur vieillissement sous irradiation, ou sur les matériaux issus du parc électronucléaire.

C’est ainsi qu’il faut d’abord préparer les échantillons et réaliser toutes les mesures dans une cellule de métrologie, afin de s’assurer de bien caractériser l’échantillon qui sera soumis à toute une série d’essais de pression, de traction, de compression ou de flexion, mais aussi des tests de ténacité ou de résilience. « Chaque cellule est ainsi dédiée à un essai spécifique, avec un matériel parfois classique, comme une simple balance pour définir la masse, mais rendue robuste pour résister aux radiations émises par les matériaux irradiés », précise Aurore Michaux. Les instruments utilisés sont en général développés par des entreprises extérieures, et adaptés aux contraintes nucléaires en lien avec le CEA.

« L’ensemble de l’appareillage électronique est ainsi externalisé (hors de la cellule), les vis sont par exemple remplacées par des cabestans, pour faciliter la prise en main par les télémanipulateurs, des “mini-ponts” servent à déplacer les pièces les plus lourdes, et les plastiques des équipements classiques, qui vieillissent mal en atmosphère irradiée, sont remplacés ». 

Trois cellules sont consacrées aux études de traction, dont certaines avec la possibilité de procéder à un chauffage des pièces, jusqu’à 1200°C. Une de ces cellules permet le chauffage via l’effet joul [1] ou par induction, afin de pouvoir réaliser des montées rapides en température, comme lors d’incidents de réactivité dans le cœur d’un réacteur. Une cellule d’essai permet également d’atteindre des températures de 1800°C, essentellement pour caractériser les matériaux qui seront utilisés dans les réacteurs du futur (réacteurs à neutrons rapides notamment). 

Une enceinte d’essais est consacrée à l’usinage par électroérosion, avec un « fil à couper le beurre» de 250 microns (µm) afin de pouvoir réaliser des découpes précises et d’obtenir des formes particulières en limitant la perte de matière. Cette technique est notamment utile pour la fabrication des pièces permettant d’étudier la propagation des fissures. «Cette machine est généralement peu présente dans les laboratoires chauds ».

Le LECI traitant beaucoup de matériaux prélevés sur les composants irradiés des réacteurs, il est par ailleurs important de réduire la taille des échantillons à tester pour maximiser le nombre d’essais à volume de matière constant. « En outre, il faut s’assurer que la propriété obtenue sera représentative de celle obtenue sur les échantillons (également appelés éprouvettes ) de taille standard ou établir des règles de passage entre ces éprouvettes. » C’est ainsi que plusieurs essais visent plus particulièrement à démontrer que si la taille de l’échantillon diminue, les propriétés mécaniques restent inchangées. 

L’étude en profondeur

Une série de cellules est plus particulièrement dédiée à la physico-chimie et la microstructure des matériaux. Une microsonde électronique et un spectromètre Raman permettent par exemple d’étudier l’oxydation de la matière ou autres évolutions chimiques de matière. Un microscope électronique en transmission permet d’aller plus loin encore dans la compréhension des phénomènes internes (évolutions structurales), en parvenant à étudier les matériaux à l’échelle du nanomètre. Prochainement, des travaux pourront même être réalisés sur des matériaux comme celui de la cuve des réacteurs à l’échelle de l’atome, par sonde atomique tomographique. L’étude de ces échelles dites «fines » permet ’identifier les phénomènes physiques qui régissent le comportement des matériaux à des échelles plus grandes.

Enfin, une boucle de corrosion fonctionnant dans les conditions REP (température, pression et chimie de l’eau) et permettant également d’étudier la corrosion sous contrainte assistée par l’irradiation complète ce tableau, au service des études sur les effets du vieillissement sur les propriétés des matériaux et sur ses conséquences en termes de dégradations potentielles. C’est une aide précieuse au remplacement de certaines structures internes de cuve, ou encore à la prolongation de la durée de vie des réacteurs du parc nucléaire.