Suivi et maîtrise du vieillissement des matériaux des installations nucléaires

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1 Suivi et maîtrise du vieillissement des matériaux des installations nucléaires J-P Massoud EDF R&D F. Champigny EDF CEIDRE JOURNEE TECHNIQUE AFIAP DU 13 OCTOBRE 2009

2 Schéma de fonctionnement d une centrale REP

3 Composants et matériaux du circuit primaire des REP - aciers faiblement alliés - aciers inoxydables -alliages base nickel - alliages de zirconium - alliages divers (Ag-In-Cd) - céramique (UO2-PuO2) Cuve générateur de vapeur pressuriseur acier faiblement allié acier austéno-ferritique turbine alliage de nickel 155 bars circuit primaire structures internes acier inoxydable austénitique revêtement protecteur acier de cuve acier faiblement allié acier faiblement allié acier inoxydable austénitique

4 Spécificités des composants nucléaires/chaudières classiques ou aux équipements industrie de base Dimensions très importantes qui s accroissent avec la puissance des réacteurs. Choix de matériaux avec caractéristiques de base d un niveau suffisant (résistance mécanique pour appareil à pression, tenue à la corrosion, par exemple) Fabricabilité : Possibilités de mise en œuvre qui ne les détériore pas, Fabrication permettant une homogénéité métallurgique aussi bonne que possible Limites des capacités de fabrication des aciéristes et des forgerons. Coût

5 Spécificités des composants nucléaires/chaudières classiques ou aux équipements industrie de base Les conditions de service, Durée de vie longue (40 à 60 ans), Taux de marche élevé en raison du coût des arrêts, Environnement particulier : irradiation cause de fragilisation dans les aciers de construction, de gonflement et de diminution de la ductilité de fluage des aciers inoxydables, complique les conditions d exploitation en raison de l activation d éléments spéciaux, tel le cobalt qui se transforme en cobalt 60 à longue durée de vie. Résistance à la corrosion généralisée en contact avec les fluides caloporteurs dont les teneurs en impuretés sont sérieusement contrôlées pour éviter tout risque de corrosion fissurante ; Résistance aux vibrations dues aux effets hydrodynamiques engendrés par la circulation des fluides caloporteurs.

6 Vieillissement des matériaux Durée de vie longue, conditions de fonctionnement spécifiques Ensemble des mécanismes liés au temps qui tendent à faire perdre aux matériels leurs caractéristiques initiales, Mesures à prendre pour suivre ses effets, les limiter, les retarder ou les remplacer par d autres moins indésirables, Vieillissement d autant plus maîtrisé que mécanismes bien connus, Deux grandes catégories : évolution des propriétés des matériaux (perte de caractéristiques physiques, mécaniques, électriques, etc.) Dégradation des structures (fatigue, corrosion, usure, etc.)

7 Processus pouvant conduire à une défaillance d un composant VIEILLISSEMENT Evolution avec le temps (Température, irradiation ) DURCISSEMENT Création d obstacles au passage des dislocations CORROSION (Milieu) FRAGILISATION + DEFAUTS DE + FABRICATION + CHARGEMENTS MECANIQUES RISQUE DE DEFAILLANCE

8 Sollicitations rencontrées et «vieillissements» qui peuvent en découler FATIGUE CORROSION SOUS CONTRAINTE CORROSION EROSION FLUAGE FLUAGE D IRRADIATIOIN Sollicitation Mécanique VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION Irradiation Température Milieu CORROSION OXYDATION VIEILLISSEMENT THERMIQUE CORROSION SOUS CONTRAINTE ASSISTEE PAR L IRRADIATION (IASCC)

9 Effets de la température de fonctionnement et de l irradiation 1. Vieillissement thermique Peu opérant autour de 300 C, mais les phénomènes de vieillissement thermique peuvent affecter certains composants de REP du fait de leur longue durée de service. 2. Vieillissement sous irradiation Les phénomènes de vieillissement sous irradiation affectent les composants subissant le bombardement des neutrons provenant des réactions nucléaires du combustible Origine : Si l'énergie cinétique du neutron incident > énergie seuil de déplacement du matériau choqué, (Es 15 à 90 ev), l'atome choqué peut quitter son site et à son tour déplacer d'autres atomes (cascades de déplacement) etc... neutron choc élastique ΔE transfert d énergie lacunes cascade de déplacements PKA interstitiels PKA : primary knock-on atom résilience avant irradiation abaissement du palier ductile après irradiation fragile ΔTT augmentation de la température de transition ductile température

10 1 MODIFICATION DE LA DIFFUSION (concentration de défauts ponctuels accrue) - Généralement accélération des phénomènes de diffusion - Apparition de phases ne figurant pas sur les diagrammes d'équilibre. 2 MODIFICATION DE LA MICROSTRUCTURE - dislocations, boucles de dislocations - recristallisation - morcellement (oxydes) - ségrégations intergranulaires, - bulles, cavités, précipités Vieillissement sous irradiation Conséquences sur les matériaux 3 MODIFICATION DES PROPRIETES D'USAGE - Durcissement, - Perte de ductilité, - Fragilisation, - Fluage-Irradiation, - Sensibilisation à la corrosion sous contrainte, - Gonflement...

11 Sollicitation Mécanique Irradiation Température Milieu

12 Principaux chargements mécaniques en service 1. Pression (155 bar dans le circuit primaire), 2. Dilatations thermiques ( C), 3. Poids des structures, 4. Chargements thermiques de fonctionnement, -Chocs(IS) - Fluctuations de faible amplitude (zones de mélange) 5. Vibrations et en situation accidentelle 1. Séisme, 2. Rupture de composant

13 Sollicitation Mécanique Irradiation Température Milieu

14 Caractéristiques du milieu primaire Acide borique H 3 BO 3 objectif : contrôle de la réactivité par variation de la concentration en acide borique (forte section de capture des neutrons par B) Lithine LiOH (max 2,2 mg/kg) objectif : neutraliser l acide borique et se placer en ph légèrement alcalin ph sensiblement constant au long du cycle (7,2) objectif : moindre corrosion généralisée, moindre production de produits de corrosion, faible solubilité et activation des composés métalliques Hydrogène (25-50 ml/kg eau) objectif : éliminer l oxygène formée par radiolyse de l eau et qui serait néfaste pour la corrosion des aciers à hte température. Impuretés limitées : - Oxygène, Chlorures et Fluorures (pour éviter CSC des inox) - Lithium (pour éviter la corrosion des gaines de combustible) - Silice, calcium, aluminium, magnésium (pour éviter dépôts insolubles sur les gaines, créant des points chauds)

15 Caractéristiques du milieu secondaire (circuit eau-vapeur) Ajout de réactifs alcalins et réducteurs pour réduire les risques de corrosion des divers matériaux du circuit (notamment condenseur) Réactifs alcalins : ammoniaque (NH 4 OH) ou morpholine (C 4 H 9 NO) Réactif réducteur : hydrazine (N 2 H 4 ) pour limiter fissuration tubes de GV Limitation des polluants qui peuvent se concentrer dans le GV et provoquer la corrosion des tubes

16 Quel vieillissement potentiel pour quel composant? 1 Vieillissements conduisant à une dégradation des propriétés mécaniques des matériaux Fragilisation sous irradiation (zone de cœur des cuves, internes, gainage ) Vieillissement thermique (aciers austénoferritiques moulé des tuyauteries primaires moulées, aciers martensitiques ) Dégradation par fissuration Fatigue thermique (zones de mélange) Fatigue vibratoire (circuits auxiliaires, rotors ) Corrosion Corrosion sous contrainte (tubes GV, zones inconel ) Corrosion sous contrainte assistée par l irradiation (visserie internes Corrosion des gaines de combustible (Zircaloy) Corrosion dans la gangue d acide borique (boulonnerie en acier faiblement allié ) «Denting» et amincissement (tubes de GV) Dégradation par perte de matière Usure par frottement (grappes de commande) Corrosion - érosion acier non allié en milieu secondaire

17 Exemples de suivi et de maîtrise du vieillissement dans 3 cas Cuve Tuyauterie primaire Générateur de Vapeur

18 La cuve pression : 155 bar débit : 18 m 3 /s (4m/s) température d entrée : 293 C température de sortie : 328 C Irradiation neutronique VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION

19 La cuve VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L ACIER DE LA CUVE Conditions de fonctionnement Tenue mécanique Températures de fonctionnement : 20 à 325 C Pression interne : 0 à 155 bars Contraintes mécaniques résultant de la pression et des transitoires thermiques à heures de fonctionnement Tenue à l irradiation Irradiation de certaines pièces (niveau de la zone de cœur) : le rayonnement neutronique issu du cœur en fragilise la paroi malgré l atténuation due à l eau et aux structures internes Résistance à la corrosion Éviter les dégradations au contact de l eau du milieu primaire Limiter la contamination des circuits par les produits de corrosion

20 La cuve VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L ACIER DE LA CUVE Conséquences mécaniques de l irradiation Cuve soumise à l irradiation neutronique : Fluence max (40 ans) = n.cm -2 = 0,1 dpa Sous l effet du bombardement neutronique, on observe au cours du temps une dégradation des propriétés mécaniques de l acier : - augmentation de la dureté, de la charge à rupture et de la limite élastique - diminution de la ténacité (résistance à la fissuration) - diminution de la résilience (résistance aux chocs) et de la ductilité - augmentation de la température de transition fragile-ductile résilience fragile avant irradiation ΔTT augmentation de la température de transition abaissement du palier ductile après irradiation ductile température

21 La cuve VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L ACIER DE LA CUVE Comment évaluer et anticiper le vieillissement? Programme de surveillance des cuves. A l intérieur de la cuve, on a disposé des éprouvettes de traction, de ténacité et de résilience dans des capsules - qui sont irradiées 2 à 3 fois plus rapidement que la cuve (flux supérieur) - et qui sont représentative de l acier des viroles de cœur de la cuve Régulièrement (3, 5, 7, 11 ans) on en prélève et on mesure les caractéristiques mécaniques. On peut ainsi anticiper sur l évolution réelle de la cuve. éprouvettes de traction éprouvettes de ténacité éprouvettes de résilience 155 bar 280 C capsule de surveillance 320 C coeur Base de données Formules prévisionnelles : ΔT = f (% P, % Cu, % Ni, fluence) Capsule du programme de surveillance

22 Capsules du programme de surveillance de l irradiation PSI - Irradiation surveillance capsule

23 La cuve VIEILLISSEMENT SOUS IRRADIATION DE L ACIER DE LA CUVE Analyse du risque de rupture brutale K COMPORTEMENT MATERIAU TENACITE : KIC EFFET DE L IRRADIATION - CHARGEMENT MECANIQUE - FACTEUR DE CONCENTRATION DE CONTRAINTE : K I pour un défaut postulé et une situation donnée FACTEUR DE MARGE Situation : choc froid pressurisé en cas de perte de réfrigérant primaire TEMPERATURE

24 La tuyauterie du Circuit Primaire VIEILLISSEMENT THERMIQUE Tuyauterie primaire pression : 155 bar débit : 18 m 3 /s (4m/s) température d entrée : 293 C température de sortie : 328 C

25 La tuyauterie du Circuit Primaire VIEILLISSEMENT THERMIQUE DES PRODUITS MOULES DU CPP Principales caractéristiques des composants Rôle : Assurer la circulation de l eau primaire entre cuve et GV Aciers moulés statiques : - Coudes, - Volutes de pompes primaire -Robinets - Piquages Aciers moulés centrifugés : - Certaines tuyauteries droites

26 La tuyauterie du Circuit Primaire VIEILLISSEMENT THERMIQUE DES PRODUITS MOULES DU CPP Problème Sous l effet de la température de service (290 C-325 C) Durcissement et fragilisation des composants en aciers austénoferritiques Dans l austénite : pas d évolution KCV 320 C (daj/cm 2 ) C Unaged Dans la ferrite (5-20%): décomposition Fe-Cr durcissante et fragilisante Ageing time (h) Cinétiques d évolution de la résilience avec la durée du vieillissement à différentes températures

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29 La tuyauterie du Circuit Primaire VIEILLISSEMENT THERMIQUE DES PRODUITS MOULES DU CPP Comment éviter l occurrence du phénomène Prévention de la décomposition Fe-Cr dans la phase ferritique : Réduire la teneur en ferrite, Choisir des nuances moins sensible à ce type de vieillissement (nuance sans molybdène), Utiliser une autre technologie : forgeage plutôt que moulage permettant d utiliser des aciers inoxydables complètement austénitiques non sensibles au vieillissement thermique. Branche complètement forgée, piquages inclus (palier N4, EPR)

30 CORROSION SOUS CONTRAINTE Le générateur de vapeur Côté primaire : pression : 155 bar Température entrée : 322 C Température sortie : 284 C Côté secondaire : pression : 55 bar Température entrée : 224 C Sortie : vapeur saturée

31 Le générateur de vapeur ROLE DU GENERATEUR DE VAPEUR et caractéristiques des composants Son rôle : Transformer l eau du circuit secondaire en vapeur grâce à l énergie thermique apportée par le fluide primaire.

32 Le générateur de vapeur CORROSION SOUS CONTRAITE DES TUBES DE GV Présence simultanée de contraintes résiduelles et de milieux corrosifs zones sensibles à la corrosion sous contrainte : - zones dudgeonnées -cintres zone dudgeonnée cintre

33 Le générateur de vapeur CORROSION SOUS CONTRAITE DES TUBES DE GV Les remèdes Diminuer les contraintes résiduelles... - traitement thermique des cintres - modifier le dudgeonnage - détensionner le tube après dudgeonnage Changer l alliage. - remplacement de l alliage 600 (15% Cr) par alliage 690 (30% Cr) Tubes fissurés : - bouchage des tubes fissurés - puis remplacement du GV.

34 Programmes de maintenance préventive des structures Connaissance approfondie des risques de dégradation - compréhension des mécanismes et paramètres influents - modélisation prédictive (déterministe, probabiliste) - cinétique (incubation, propagation, ) - amplitude Analyses de nocivité des défauts Comparaison avec retour d expérience