Study the phenomenon of corrosion-erosion of zirconium : case of a jet with particles
Étude du phénomène de corrosion-érosion du zirconium : cas d’un jet de particules érosives
Résumé
The present work focuses on the investigation of the physico-chemical mechanisms leading to the mass loss of zirconium exposed to oxidizing (nitric acid) and erosive (stainless steel particles) conditions, in the industrial context of treatment-recycling of spent nuclear fuel. Different experimental tools have been developed and used to quantify and analyze each contribution to corrosion-erosion (pure corrosion and erosion and their synergy) under the conditions of interest. In the absence of any mechanical damage (pure corrosion), the dissolution of zirconium is very low in nitric medium: its good resistance is due to the growth of a protective layer of zirconia which thickens with the potential and the immersion time in the electrolyte. However, its mass loss is orders of magnitude higher under weakly oxidizing conditions (water) and in the presence of particles (pure erosion). Zr degradation increases further in an oxidizing medium (nitric acid + particles). This greater mass loss is due to the synergy that originates in the mechanical depassivation of the substrate (following particle shocks) and its dissolution. Complementary experiments (scratch tests) have shown that exposure to nitric acid of a small portion of the metallic surface free of passive layer leads to transient dissolution of zirconium. In the case of repeated impacts observed in corrosion-erosion, it appears that the quantity of dissolved material depends on two parameters: the frequency of the impacts and the time required for the material to be repassivated. These elements make it possible to explain the results of a sensitivity study carried out around the conditions of interest, which show that the flux of loss of material in corrosion-erosion is all the more important as the velocity and/or the size of the particles. Nevertheless, in the presence of a greater concentration of particles, the mass loss becomes less significant, probably because of the decrease in the incident kinetic energy of the particles at the time of the impact.
La corrosion-érosion est un mode de dégradation des matériaux rencontré dans de nombreux équipements industriels (canalisations, cuves, pompes, échangeurs de chaleur, ...) fabriqués en métal et contenant une phase liquide oxydante (capable de provoquer leur dissolution) en chargée en particules et en écoulement. De par leur mouvement, ces particules peuvent provoquer l’endommagement mécanique lors de leurs impacts répétés contre la paroi. L’endommagement global du matériau résulte donc à la fois de sa dissolution, de son usure érosive et d’une possible synergie entre les deux phénomènes. Le présent travail est consacré à l’investigation des mécanismes physico-chimiques conduisant à la perte de masse du zirconium exposé à des conditions oxydantes (acide nitrique) et érosives (particules d’acier inoxydable), dans le contexte industriel du traitement-recyclage du combustible nucléaire usé. Différents outils expérimentaux ont été développés et exploités pour permettre de quantifier et analyser chacune des contributions à la corrosion-érosion (corrosion, érosion et synergie) dans les conditions d’intérêt. En absence de toute forme d’endommagement mécanique (corrosion), la dissolution du zirconium est très faible en milieu nitrique : sa bonne tenue en corrosion est due à la croissance d’une couche de zircone protectrice qui s’épaissit avec le potentiel et le temps d’immersion dans l’électrolyte. Cependant, sa perte de masse est de plusieurs ordres de grandeur supérieure dans des conditions faiblement oxydantes (eau) et en présence de particules (érosion). La dégradation de Zr augmente davantage en milieu oxydant (acide nitrique + particules). L’élément amorceur de cette synergie semble être la dépassivation mécanique du substrat à la suite des chocs particulaires. Des expériences complémentaires (essais de rayure) ont montré que l’exposition à l’acide nitrique d’une petite fraction de la surface métallique exempte de couche passive conduit à une dissolution transitoire du zirconium. Dans le cas d’impacts répétés observés en corrosion-érosion, il apparaît que cette quantité de matière dissoute dépend de deux paramètres : la fréquence des impacts et le temps nécessaire à la repassivation du matériau. Ces éléments permettent d’expliquer les résultats d’une étude de sensibilité réalisée autour des conditions d’intérêt qui montrent que le flux de perte de matière en corrosion-érosion est d’autant plus important que la vitesse et/ou la taille des particules sont importantes. Néanmoins, en présence d’une plus grande concentration de particules, la perte de masse devient moins significative, probablement en raison de la diminution de l’énergie cinétique incidente des particules au moment du choc et de leur accès à la surface.
Domaines
Génie des procédés
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)