Les Matériaux pour les Structures Fixes

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1 Atelier Les matériaux pour les RNR refroidis au sodium Les Matériaux pour les Structures Fixes Ph. Dubuisson, F. Dalle ASTRID Phénix Superphenix Ph. Dubuisson - 1 GV, Echangeurs (SCE) C Vieillissement,, Compatibilité Eviter Na-H 2 O RNR Na Principaux Composants Structures Froides Echangeurs Intermédiaires, Pompes Pas de déformation faible irradiation Circuits Fluage, fatigue, fatigue-fluage, fatigue thermique, vieillissement 1000 MWe type piscine GV modulaire Cœur 2 ème barrière Cuve Pas de déformation Fluage négligeable Structures Chaudes Fluage, Coef de joint, Faible irradiation Ph. Dubuisson - 2

2 Cahier des charges Composants Elaboration Soudabilité Tenue en service Comportement mécanique ténacité, Vieillissement fluage, fatigue, fatigue fluage, Métal de base, revêtement, Temps de maintien (fluage) 9 Cr Conditions nominales, incidentelles et accidentelles! 60 ans Extrapolation faible contrainte temps long 1 an 1 mois 1. fluage long terme fluage pur Conditions en service pendant 60 ans : déformations en fatigue faibles + temps de maintien longs stress (MPa) 1 semaine 1 h 0% plusieurs mois 100 semaines fatigue-fluage MPa fatigue pure 0.3% 1% Variation de déformation en fatigue 10 1e-13 1e-12 1e-11 1e-10 1e-9 1e-8 1e-7 1e-6 1e-5 1e-4 1e-3 1e-2 minimum creep rate (s-1) Ph. Dubuisson - 3 Cahier des charges Composants Elaboration Soudabilité Tenue en service Comportement mécanique fluage, fatigue, fatigue fluage, ténacité, Vieillissement Métal de base, revêtement, Temps de maintien (fluage)! 60 ans Extrapolation faible contrainte temps long 1 an 1 mois 1 semaine 1 h 1. fluage long terme fluage pur Conditions en service pendant 60 ans : déformations en fatigue faibles + temps de maintien longs plusieurs mois? 0.10 Fatigue life reduction factor Essais spécifiques fatigue fluage 0,15% semaine semaines fatigue-fluage fatigue pure Conditions nominales, incidentelles et accidentelles > 0,9% 0,5 0,6% 3. Compréhension des mécanismes Fatigue relaxation test modélisation (Springfields / UK) 0,4% physique Hold time, minutes semaine 0% 0.3% 1% Variation de déformation en fatigue Ph. Dubuisson - 4

3 Métal de base, revêtement, Cahier des charges Composants Elaboration Soudabilité Tenue en service Comportement mécanique fluage, fatigue, fatigue fluage, ténacité, Vieillissement Compatibilité Na et autres milieux Eau, Vapeur, Gaz, Comportement après lavage, réparation, Soude Irradiation Réduire le terme source Activation cuve Supprimer si possible les stellites Circuit primaire Limiter les alliages de Ni (Ni Co) Limiter certaines impuretés Co, Ni, Qualification du matériau / composant Dimensionnement Code RCC MRx Inspections Contrôles Conditions nominales, incidentelles et accidentelles Ferrite Austénite appauvrie Revêtement austénite Ph. Dubuisson - 5 Métal de base, revêtement, Choix des matériaux Matériaux "connus" 316 L(N) Alliage 800 Fe-30Ni-15CrTiAl, Bonne expérience R&D importante disponible Bonnes propriétés à hautes températures, soudabilité "Anciens" programmes R&D REX des RNR Na existants Expertise de composants "Nouveaux" Matériaux Modifications "légères" Composition chimique Spécification N, Addition d'éléments, Nb, Modification teneur Ni, Etat métallurgique Élaboration Material C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb Ti Others NF709 0,04-0,10 1, ,0-22,0 1,0-2,0 23,0 27,0 0,10-0,40 0,02-0,20 B 0,002 V Super 304H Cu N HR3C , ,0-0, ,0 23,0 0,60 347H Fine Grained x%C Phénix, Superphenix, 60 ans Soudabilité? Compatibilité Na? Ph. Dubuisson hours Rupture Strength at 650 C (MPa) NF709 SUPER 304H HR3C h rupture strength Esshete 1250 TP 347 FG AC66 TYPE 316L(N) Alloy 800HT 650 C P92 91 P91

4 Métal de base, revêtement, Fe 9Cr 0.1 C 1Mo(W) Si V Nb Choix des matériaux Matériaux "connus" 316 L(N) Alliage 800 Fe-30Ni-15CrTiAl, Bonne expérience R&D importante disponible Bonnes propriétés à hautes températures, soudabilité "Anciens" programmes R&D Expertise de composants REX des RNR Na existants "Nouveaux" Matériaux Modifications "légères" Composition chimique Spécification N, Addition d'éléments, Nb, Modification teneur Ni, Etat métallurgique Élaboration Changement de matériau Phénix, Superphenix, 60 ans Aciers martensitiques 9 Cr Grade 91 Matériau de référence Grade 92 Fluage amélioré due addition W B, N, Co Nouveaux alliages Etude R&D - Optimisé en fluage Ph. Dubuisson Aciers martensitiques 9 Cr Intérêt des aciers ferritiques martensitiques / austénitiques Propriétés physiques Conductivité thermique + 18% Gain sur le dessin Coef. de dilatation 33% des circuits Faible activation Coût plus faible Bon comportement mécanique à température intermédiaire Contrainte (Mpa) (MPa) provoquant la rupture après 600 C heures 000 h à 600 C Introduction de Co, B Augmentation des teneurs en W -20 9Cr 0,5Mo 1/2W (V,Nb) HCM12A: 12Cr 0.5Mo 2W 1Cu (V,Nb) 12Cr 0,5Mo 2W (V,Nb) 2,25Cr 2W (V,Nb) 9Cr 1Mo (V,Nb) (T91) 12Cr W Co (V,Nb,B) Diminution des teneurs en Mo Augmentation des teneurs en W Optimisation des teneurs en V et Nb Cr 1Mo 1W (V,Nb) t =0.4% Remplacement partiel du Mo par du W 80 2,25Cr 1Mo (V) -60 9Cr 2Mo (V,Nb) (EM12) 12Cr 1Mo (V) Historique du développement 0.5% 2,25Cr 1Mo Cr 1Mo (EM10) Des aciers Fe-9/12Cr pour les 12Cr % Centrales thermiques 0.6% Vieillissement Ajout de Mo, V, Nb 1% Adoucissement Soudabilité Etudes R&D 0 Compatibilité avec les milieux - ini MPa Cumulated plastic strain Ph. Dubuisson Adoucissement Fatigue pure

5 Amélioration des aciers 9Cr Evolution de la chimie W Nuance 92 Réseau de neurones, Traitements thermomécaniques Ajout N, Stabiliser la microstructure Nuance 91 améliorer le comportement en fluage réduire l'adoucissement cyclique Ausforming C nm Calculs Matcalc Optimiser le traitement en augmentant le nombre de précipités et en les affinant 10nm Microstructure plus fine lattes et précipités Durée de vie en fluage x 20 Adoucissement cyclique légèrement ralenti Ph. Dubuisson - 9 RCC MR 2002 Dimensionnement / 91 Lignes secondaires chaudes EFR 82 m avec 4 coudes Tuyauteries droites Nuance 91 ext = 711 mm réf de section Déformé x e 10 = 11 mm réf de section Coudes rayon de courbure R = 1067 mm D = 0,0870 e = D 14.2 = 0,0511 mm r = 1,5 r = 1,75 94 MPa 62 MPa R réf max D facteur effet de ressort maximal moment de flexion et de torsion due à l'expansion thermique Dommage fatigue fluage Dommage, Contrainte plus faibles acier martensitique Ph. Dubuisson - 10

6 RCC MR 2002 Dimensionnement / 91 Lignes secondaires chaudes EFR Dommage ~ Nuance 91 réf de section réf de section D = 0,0826 D = 0,0511 Gain 10 m r = 1,3 r = 1,75 75 MPa 62 MPa R réf max D facteur effet de ressort maximal moment de flexion et de torsion due à l'expansion thermique Dommage fatigue fluage Dommage, Contrainte plus faibles acier martensitique Ph. Dubuisson - 11 RCC MR Dimensionnement / 91 Lignes secondaires chaudes EFR Gain Coudes 4 2 Longueur 82 m 65 m réf de section réf de section D = 0,0870 D = 0,0282 r = 1,5 r = 1,01 R réf max D 94 MPa facteur effet de ressort maximal moment de flexion et de torsion due à l'expansion thermique Dommage fatigue fluage 136 MPa Nuance 91 gain faible Ph. Dubuisson - 12

7 GV, Echangeurs (SCE) C Vieillissement,, Compatibilité Eviter Na-H 2 O 9 Cr 800H RNR Na Principaux Composants Circuits Fluage, fatigue, fatigue-fluage, fatigue thermique, vieillissement 1000 MWe type piscine GV modulaire 9 Cr Jonctions soudées homogène, hétérogène, 9 Cr, Mat. de boulonnerie,.. Structures Froides Echangeurs Intermédiaires, Pompes 2 ème barrière Pas de déformation faible irradiation Mode d'élaboration forgés/moulés, Mat. de revêtement (dur) Autres composants "moins importants" Cœur Aciers faiblement alliés A42, 16MND5, Alliage de Ni Cuve Pas de déformation Fluage négligeable Structures Chaudes Fluage, Coef de joint, Faible irradiation Ph. Dubuisson - 13