Stratégie de développement des gaines et des TH des assemblages du cœur (projet MACNA)

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1 Stratégie de développement des gaines et des TH des assemblages du cœur (projet MACNA) J. L. Séran (CEA) -Introduction. Augmenter les performances des structures de cœur c est développer des matériaux de + en + résistants: à l irradiation en conditions nominales aux transitoires incidentels ou accidentels -Augmenter la dose admissible (~ 100 -> dpa). Les performances du gainage actuel (AIM1) et les perspectives d amélioration à court terme (AIM2) -Atteindre les objectifs filière ( dpa). Les perspectives d amélioration à plus long terme avec des matériaux métalliques performants et très innovants: - développement des aciers F/M ODS - travaux exploratoires vers les alliages de Vanadium -Améliorer le comportement du cœur en conditions accidentelles par l utilisation de céramiques et des composites SiC/SiC comme matériaux de structures de cœur rapide: plus qu une simple innovation, un véritable défi technologique -Conclusion: le chemin qui reste à accomplir et les perspectives d innovation à venir J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 1

2 Stratégie de développement des gaines et des TH des assemblages du cœur - Introduction -Les performances du gainage actuel (AIM1) et les perspectives d amélioration à court terme (AIM2) -Les perspectives d amélioration à plus long terme avec des matériaux métalliques performants et très innovants : état des lieux sur le programme de développement des aciers F/M ODS et sur les travaux exploratoires vers les alliages de Vanadium -Des céramiques et des composites SiC/SiC comme matériaux de structures de cœur rapide: plus qu une simple innovation, un véritable défi technologique -Conclusions et perspectives sur le programme matériaux innovant: les défis qui restent à relever et les principales étapes à franchir pour y parvenir. J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 2

3 L histoire des matériaux de gainage de Phénix nix une amélioration constante du comportement du gainage qui est le principal élément limitatif du TCF (%) (lot moyen) Swelling of austenitic Phénix claddings compare to F/M materials Gonflement sous irradiation des aciers de gaine et de TH utilisés s dans le coeur nourricier de Phénix Average 316Ti 316 Ti (lot moyen) 15/15Ti (lot moyen) Average 15/15Ti Best lot of 15/15Ti 15/15Ti (meilleur lot) Dispersion importante Limite Embrittlement de fragilisation limit Ferritic-martensitic Aciers ferritiques- (F/M) martensitiques conventionnels steels, ODS included et ODS dose (dpa) Précurseur austénitique avancé (N9) Evolution importante de Px/SPx à Astrid: gros diamètre /petit fil => 0 gonflement? AIM1~ >110 dpa mais espoir réel r d aller d > 130 dpa avec une version avancée: l AIM2l Au-del delà de la référence r rence 1ers coeurs AIM1->2: quelles innovations matériaux envisager pour résoudre r les problèmes de gonflement en maintenant un niveau de sûrets reté suffisant par l utilisation de matériaux à réfractarité accrue? J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 3

4 1 ères évaluations des aciers austénitiques avancés Les propriétés s mécaniques m sont équivalentes à celles de l AIM1l Propriétés s hors pile Propriétés à l état irradié (REX Phénix nix) La résistance r au gonflement du pr standard 15/15Ti sistance au gonflement du précurseur est Déformation meilleure de que gaine celle 108 dpa du Traction Embrittlement limit Comparaison des déformations à 108 dpa Par rapport au précurseur, le comportement peut encore être amélior lioré en étendant, à ces matériaux, les règles r d optimisation d déjàd identifiées es sur les 316, 316Ti & 15/15Ti -> > l AIM2l Precursor of advanced austenitics (12/25 Ti Bacchus material) Fluage thermique Optimisation à trouver entre résistance au gonflement et ductilité post-irradiatoire Vision pluriannuelle Expérience Supernova, capsule matériaux rentrés dans Phénix en 1988, sortie en 2006, en cours d examens SUPERNOVA experiment 1 13, : Bilan Supernova / Choix d une nuance optimisée: 1 ère spécification AIM2 9, : Evaluation de la dose maximale / Loi de comportement Référence actuelle de 7,50 Programme de caractérisation étendu (avec nouvelle irradiation 15/15Ti Phénix en réacteurs étrangers) Austénitique Avancé stabilisé au Ti non 3,50 optimisé et au-delà: REX programme d irradiation, spécification Précurseur du gainage 1,50 ODS «bas Cr» de Phénix définitive, proposition d introduction progressive dans le cœur d ASTRID -> vers Go-noGo AIM1<->2-0, Austénitique Avancé bi-stabilisé Ti + Nb Irradiation temperature ( C) J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 4 Volume swelling (%) 17,50 15,50 11,50 5,50 Flux neutronique (normalisé à 1) 15/15Ti non optimisé 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Evolution of flux (flux/flux max) Nonoptimised 15/15Ti 15/15Ti (CE lot of Phenix cladding tubes) 15/25Ti 12/25Ti (already irradiated as cladding tubes in Bacchus experiments) 15/25Ti, Nb MA957 ODS ferritic steel MA956 ODS ferritic steel flux ratio evolution Vers l AIM2?

5 Stratégie de développement des gaines et des TH -Introduction Pourquoi les ODS? Aujourd hui, -Les performances sont les seuls du aciers gainage nucléaires actuel, connus les perspectives et reconnus, d amélioration susceptibles d atteindre à court les objectifs terme filière et la nécessité (> 180 dpa) d innovation en terme de sur résistance les matériaux à une irradiation de cœur et neutronique sur le gainage prolongée fissile car en même particulier l AIM2 ne devrait pas pouvoir aller au-delà de dpa mais il s agit s de matériaux innovants dont: -La faisabilité -Les perspectives industrielle selon d amélioration des spécifications à plus nucléaires long terme reste avec à démontrer des matériaux métalliques plus résistants à l irradiation à température élevée: état des -Certaines lieux caractéristiques sur le programme (résilience, de développement rupture brutale des à chaud) aciers doivent F/M ODS être améliorées et sur les -L évolution travaux structurale exploratoires (donc les vers propriétés) les alliages est étroitement de Vanadium liée aux différentes étapes de la fabrication qui n est pas conventionnelle (lingot non pas obtenu par fusion à partir des éléments constitutif mais à partir de la mécanosynthèse de poudres élémentaires et compaction/consolidation) et dont le lien avec les propriétés est encore mal connu. -Des céramiques et des composites SiC/SiC comme matériaux de structures de cœur rapide: plus qu une simple innovation, un véritable défi technologique -Conclusions et perspectives sur le programme matériaux innovant: les défis qui restent à relever et les principales étapes à franchir pour y parvenir. Poudre pré-alliée Poudre Y 2 O 3 Broyage mécanique Filage à chaud Laminage à pas de pèlerin Gainage Poudre Ebauche à laminer Attriteur Stratégie Identifier, comprendre et modéliser les évolutions structurales à chaque étape, d abords sur semiproduit puis sur tube fini J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 5

6 Le programme actuel sur les aciers ODS nanostructurés Nuances de référence: r rence: 9, 14 et 18Cr Etudes microstructurale de compréhension Programme de R & D -> > Dossier matériau MET nano-oxides m -3 3 nm Grains de ferrite H(r) * fp 0,6 0,4 0,2 0 1, 2 m - 300nm 400 nm nm Longitudinal direction Transverse direction 500 nm DNPA f p 1,1% DSM LLB Orphée Rayon moyen (nm) nm 3 Modélisation du comportement Microstructure homogène Fin grains ferritiques alongés dans direction d'extrusion GPM Rouen Modélisation physique du comportement mécanique des ODS [110] 2 2 1/2 k 0 s R 0,2 = M((τp + τi ) + σ cin + ) + σ d Fût d'une éprouvette prélevée en sens longitudinal s? L 300 nm 1,2 µm Système de glissement activé lors d'une sollicitation de traction en sens longitudinal - τ p = μb - τ = αμb i π 2 ρ Facteur de Taylor f v R bnφ - σ * cin = f v E p ε p = f v E p 2rM k 0 - d Contrainte isotrope Contrainte cinématique Durcissement de type Orowan. v Contrainte visqueuse Ecrouissage isotrope dû à la forêt de dislocations. Ecrouissage cinématique dû aux boucles de dislocations. Contribution de type Hall-Petch à la contrainte cinématique. Exemple de modélisation du comportement en traction qui donne des premiers ordres de grandeur intéressants (M. Ratti, Y. Brechet), modèles polycristallins en cours de développement (Thèse A. Steckmeyer). D autres modèles phénoménologiques de comportement sont aussi développés spécifiquement pour le filage (thèse de A. Karch), la mise en forme à froid (thèse E. Vanegas) ou soudabilité. LPP de type HPTR Modélisation filage à chaud D. Sornin Cisaillement (rz) (Repère matériau) Contrainte longitudinale Tube fini z Modélisation laminage à pas de pèlerin E. Vanegas SAT Ti, TiO Y,YO and O Amas m -3 1,8 nm Fabrication Après une 1 ère phase d obtention de poudres, de produits compactés/consolidés et de barres pleines jusqu en 2011, il faut améliorer les procédés et: -Qualifier les gammes de fabrication des tubes -Identifier les paramètres permettant d améliorer la ductilité et la ténacité des produits finaux ainsi que leur comportement en fluage (rupture brutale à chaud) Caractérisation risation hors irradiation sur: Barres rondes - Thèse M. Couvrat (filage) - Thèse de A. Karch (modélisation filage) - Thèse AL Rouffié (rupture fragile) - Thèse A. Steckmeyer (traction/fluage) - Thèse M. Praud (plast/fragilité en fluage) Tubes - Thèse L. Toualbi (gammes de fab. tubes) - Thèse de E. Vanegas (modélisation mise en forme à froid) - Programme fluage en Pression Interne - Progr. résilience et ténacité sur tubes Etude des effets d environnementd -Thèse M. L. Lescouet (Effet irradiation par particules chargées dans Jannus) -Programmes ROG, corrosion Na & nitrique J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 6

7 Propriétés s mécaniques m des ODS CEA comparées à la littérature Traction (A. Steckmeyer) Résilience (A. L. Rouffié) J03 18Cr-1W-0,37Ti-0,56Y 2 O 3 : vieillissement à 500 C et 600 C pendant 5000h: Zones clivées de ~ 1 µm de large et plusieurs dizaines de µm de long > Fragilisation Fragilisation importante importante des après forts Cr (18%) 600 C-5000h après vieillissement à 600 C Résultats de fluage sur les 14Cr: -ODS CEA meilleurs que le MA 957 «historique» (essais uniaxe) -Besoin de données sur tube Fluage (M. Praud) J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 7

8 Positionnement du programme CEA actuel et perspectives Positionnement actuel Equipes françaises participant au programme ODS Principaux défis d qui restent encore à relever 1) Obtention de tubes représentatifs d une production industrielle avec des performances «à froid» adaptées au cahier des charge d une 1 ère barrière de sûreté 2) Validation de ces propriétés après irradiation: - aux neutrons (BOR 60, RJH, ASTRID) - aux particules chargées (JANNUS) 2) Choix d une matrice ferritique Fe-14Cr ou martensitique Fe-9Cr et industrialisation de la fabrication Vision pluriannuelle Programme principalement porté par le projet CEA R4G/MACNA (15 thèses lancées depuis 2006) en partenariat avec AREVA et EDF. - 2 programmes ANR (Stratotube et axtrem) - 1 programme CPR (ODISSEE) - Collaborations avec les industriels: Aubert et Duval, Nitruvid, SOTEP, Valinox Nucléaire, Mécachrome - Actions croisées avec les programmes fusion - Implication forte dans les programmes européens GETMAT et MATTER et dans l EERA 2012: Choix de 2 nuances candidates, ferritique et martensitique 2015: Point d arrêt et levée des réserves de base sur les problèmes de fragilisation, fabricabilité & mise en œuvre et, si décision positive, choix final et poursuite du programme de R & D sur une nuance de référence. -> 2020: transfert industriel des technologies de fabrication, fabrication d assemblage expérémentaux et irradiation dans un RNR disponible. J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 8

9 Stratégie de développement des gaines et des TH - Programme Alliages de Vanadium issu de la R & D matériaux pour le GFR - Alternative possible aux aciers (AIM1,2 et ODS) car favorable du point de vue faisabilité (par rapport aux ODS), réfractaritr fractarité,, propriétés s neutroniques et mécaniques, résistance r à l irradiation mais a priori tenue physico chimique vis-à-vis de l environnement l RNR-Na Na à évaluer -Introduction -Les performances du gainage actuel, les perspectives d amélioration à court terme et la nécessité d innovation sur les matériaux de cœur et sur le gainage fissile en particulier -Les perspectives d amélioration à plus long terme avec des matériaux métalliques performants et très innovants : état des lieux sur le programme de développement des aciers F/M ODS et sur les travaux exploratoires vers les alliages de Vanadium Métal semi réfractaire (Tf ~1900 C) Médiocre résistance à la corrosion Transparence neutronique Fragilisation par les impuretés interstitielles -Des céramiques et Ductilité des (DBTT composites <-170 C) SiC/SiC (O, comme C, N) matériaux de structures de Fabrication conventionnelle Propriétés mécaniques médiocre à T> cœur rapide: plus qu une simple innovation, un véritable défi technologique Optimisation possible (alliages) Retour d expérience fission (années 70-80) et fusion (depuis 80) -Conclusions et perspectives sur le programme matériaux innovant: les défis qui Très bon comportement sous irradiation (Gonflement, ductilité) restent à relever et les principales étapes à franchir pour y parvenir. Programme d éd évaluation: -Relancer fabrication/savoir-faire faire -Compléter la caractérisation risation mécanique m & structurale -Evaluer des solutions possibles aux pb compatibilité 750 C Conclusion provisoire à fin 2011: -Fabrication semi-industrielle industrielle de haute qualité démontrée -Propriétés s physiques & mécaniques m = ODS, voir meilleures -Solution au pb compatibilité avec environnement: -> > court terme: triplex F17/baseV/F17, validation en cours -> > long terme: revêtement + nouveaux alliages optimisés J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 9

10 Stratégie de développement des gaines et des TH -Introduction Intérêt du SiC f /SiC pour les applications nucléaires -Les performances propriétés intrinsèques du gainage du SiC: actuel, les perspectives Propriétés particulières d amélioration des CMC SiC/SiC: à court terme et la Réfractarité nécessité& stabilité d innovation Thermo chimique sur les matériaux Matériau de cœur élastique et endommageable sur gainage fissile en particulier Résistance à l irradiation & faible activation Mais, faible tenacité Tenacité élevée (>30MPa.m 1 ) Mais, perte d étanchéité > limite élasticité -Les perspectives d amélioration à plus long terme avec des matériaux métalliques performants Application et très possible: innovants matériau : état de réflecteur des lieux sur le Applications programme possibles: de développement TH et gaines (si des aciers F/M ODS et sur les travaux exploratoires solution vers d étanchéification les alliages de validée) Vanadium CVI SiC/SiC -Des céramiques c et des CVD composites SiC SiC/SiC comme matériaux de structures de Jones et al, JNM (2002) cœur rapide: plus qu une une simple innovation, un véritable v défi d technologique -Conclusions et perspectives sur le programme matériaux innovant: les défis qui restent à relever et les principales étapes à franchir pour y parvenir. Excellent comportement des CMC sous irradiation avec les fibres de 3 ème génération (REX international Fusion) Pseudo ductilité par fissuration matricielle J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 10

11 Utilisation des composites SiC/SiC pour applications nucléaires 2 applications ciblées de géométrie compatible avec les CMC Tube hexagonal pour RNR Na Na Brevet CEA n Cote externe = 204.8mm Cote interne = 198.3mm Hauteur = 250mm Gaine combustible pour RNR G - Allègement du cœurc - Amélioration de la contre-réactivit activité neutronique - Amélioration du comportement en condition accidentelle et diminution du risque de fusion généralisg ralisée e du cœur Spécifications Tronçons hexagonaux de forte épaisseur (3mm) Pas de fonctions de transfert thermique Pas de contraintes thermomécaniques fortes Réfractarité - Matériau réfractaire r céramique c de type CMC indispensable pour ce type de cœurc - Étanchéité en service (structure multiplex séparant s les fonctions) à démontrer Spécifications: Tolérances géometriques serrées Bon comportement thermomécanique sous irradiation Réfractarité Herméticité Bon échangeur thermique J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 11

12 Utilisation des composites SiC/SiC pour applications nucléaires 2 applications ciblées de géométrie compatible avec les CMC Développement d une compétence CEA dans la fabrication des CMC Tube hexagonal pour RNR Na Na Brevet CEA n Cote externe = 204.8mm Cote interne = 198.3mm Hauteur = 250mm Gaine combustible pour RNR G - Allègement du cœurc - Amélioration de la contre-réactivit activité neutronique - Amélioration du comportement Tressage en condition accidentelle et diminution du risque de fusion généralisg ralisée e du cœur Enroulement filamentaire Spécifications Tronçons hexagonaux de forte épaisseur (3mm) Pas de fonctions de transfert thermique Pas de contraintes thermomécaniques fortes Réfractarité EF T2D T3D Fabrication CEA de matériaux de haut niveau! Valeurs d allongement à rupture >> critère (0,5%) - Matériau réfractaire r céramique c de type CMC indispensable pour ce type de cœurc - Étanchéité en service (structure multiplex séparant s les fonctions) à démontrer Rectification Spécifications: Tolérances géometriques serrées Bon comportement thermomécanique sous irradiation Réfractarité Herméticité Bon échangeur thermique 2 brevets déposés en 2011 Coll. avec industriels du textile J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 12

13 Résultats déjàd obtenus sur le SiC/SiC Fabrication de tubes cylindriques et hex. en SiC/SiC Protos de tubes étanche, aux cotes et fermés aux 2 bouts: solutions CEA en cours de validation Réalisation proto TH SiC/SiC Optimisation des propriétés d interphase sur fibre Tyranno SA3 Mise au point de traitements thermo chimiques réduisant la rugosité de la fibre TSA gain en propriétés mécaniques attendu Test préliminaire en environnement sévère : Bon comportement de la gaine triplex étanche après 15min à 2000 C Très bonne tenue du composite sous irradiation (CROCUS et CEDRIC) Comportement mécanique de tubes SiC/SiC 2D et 3D Contrainte (MPa) Gaine triplex SiC/Ta/SiC étanche après excursion 2000 C Tronçon de TH en cours de fabrication Tube tressé 3D Motif 2 (LTMEx) Tube tressé 2D 3 couches à 45 (LTMEx) Tube tressé 2D 3 couches à 60 (LTMEx) EF 1 couche 30 + Tresse 2D 2 couches 45 (LTMEx) Tube tressé 2D 2 couches à 45 SPS (IRRDEMO) Excellents résultats obtenus sur plaques et tubes avec fibres Hi Nicalon S ( R>0.5%) Déformations (%) Définition d un programme d irradiation forte dose: en cours dans BOR 60 (SiC/SiC & ODS) J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 13

14 Perspectives sur le SiC/SiC Pour fin 2012, 1 er dossier de synthèse se SiC/SiC devant comporter: Démonstration de faisabilité et 1 ères justification de propriétés de base concernant un assemblage réfractaire àth & gaine SiC/SiC Instruction des dossiers de propriétés d un TH SiC/SiC pour RNR Na et d un élément combustible tubulaire àbase SiC/SiC étanche et fermé aux deux bouts pour applications génériques en cœur de réacteurs nucléaires (proposition d un ANR «post Fukushima» sur un gainage SiC/SiC pour REL) Les attendus pour er bilan sur comportement sous irradiation du SiC/SiC en conditions RNR Na BOR60 Démonstration d un TH (éch: 2/3) par procédé alternatif Lois de comportement thermomécanique du composite SiC/SiC (HNS) Identification d un partenaire industriel pour prototype échelle 1 Campagne d irradiation sur SiC/SiC optimisé (TSA3) Et au delà Loi de comportement du SiC/SiC (HNS) (déc. 2017) Loi de comportement du SiC/SiC optimisé (TSA) en conditions RNR Na (2020) Go no Go J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 14

15 Conclusion 1/2 Le programme «Matériaux de cœur c» associé au projet ASTRID doit relever des défis d importants pour démontrer d la faisabilité de matériaux de plus en plus performants et donc, de plus en plus innovants: sur l AIM2, il faut construire et valider une spécification assurant le meilleur optimum entre résistance au gonflement et propriétés mécaniques, sur les ODS il faut encore bien identifier l influence des paramètres de fabrication sur les propriétés, comprendre et modéliser l origine de certains comportements critiques pour mieux spécifier une nuance associée à une gamme de fabrication qui respecte les exigence d une 1 ère barrière nucléaire, sur la voie alternative semi-réfractaire des alliages base V, il est essentiel de concevoir et valider des protections fiables du matériau de structure vis-à-vis de l environnement, enfin, concernant la solution réfractaire composite SiC/SiC sur laquelle des espoirs raisonnables peuvent être fondés, de nombreuses innovations matériaux/procédés et de nombreux brevets sont en cours et à venir pour en assurer la validation. J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 15

16 Conclusion 2/2 Esquisse Plan de qualification des Tubes de Gaine / TH pour ASTRID Démarrage ASTRID Arrêt ASTRID Démarrage + mise à l équilibre Augmentation des performances Préparation filière RNR AIM1 : (cœur nourricier) AIM2 : ODS : Alliages V * : TH en SiC/SiCf : * : sous réserve d avoir levé des verrous technologiques Phase 2 : Irradiation d aiguilles, de concept Phase 3 : Irradiation d assemblage prototype Phase 4 : Irradiation d assemblage outil industriel J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 16

17 Merci de votre attention J. L. Séran Atelier GEDEPEON/MATINEX des mars 2011: projet MACNA 17