Impact de l’oxydation du zircaloy-4 sur la désorption de l’hydrogène
Résumé
Dans le cœur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), les pastilles d’oxyde d’uranium sont isolées du circuit primaire par des gaines métalliques en alliages de zirconium. En conditions nominales de fonctionnement, l’interaction entre ces gaines et le milieu primaire provoque la formation d’un film d’oxyde et l’absorption d’hydrogène par l’alliage. Lors du fonctionnement en réacteur et lors du transport de combustible usé, la désorption de cet hydrogène et du tritium issu de la réaction de fission est une problématique de sûreté.
L’objectif de la présente étude est de déterminer l’effet d’une couche d’oxyde sur la désorption de l’hydrogène d’un alliage de Zircaloy-4 en utilisant la technique de spectrométrie de désorption thermique (TDS). Cette technique d’analyse sous vide permet l’acquisition des flux de désorption de différentes espèces chimiques (telles que l’hydrogène, les molécules deutérées, l’eau…) en fonction du temps et de la température via un spectromètre de masse.
L’évolution du flux de désorption de H2 des échantillons soumis à une rampe de température de 10 degrés C/minute présente deux pics, situés respectivement vers 400 degrés C et 700 degrés C. L’origine de l’hydrogène produisant ces deux contributions a été étudiée. Plusieurs états de surface ont été testés : polissage mécanique au papier SiC grade 1200 et 2400, et finition à la suspension diamantée ¼ µm. L’intensité du 1er pic dépend de l’état de surface initial de l’échantillon. Par ailleurs, en comparant deux échantillons polis au grade 2400 à l’eau légère (1H2O) pour le premier et à l’eau lourde (2H2O) pour le deuxième, on constate très peu de différence entre les flux de désorption (pour les deux pics) pour la masse 2 (1H2). En analysant le signal de la masse 18 (H2O) correspondant aux molécules résiduelles du vide ou désorbant du dispositif, on constate une diminution du flux H2O corrélée au 1er pic de 1H2, puis un signal constant et faible au-delà de 500°C. Ce flux de 1H2 correspondant au premier pic reflète donc le dégagement d’une partie de l’hydrogène provenant de la réduction de l’eau résiduelle présente dans le dispositif lors de l’oxydation du zirconium. Cette hypothèse est confirmée par le suivi des signaux des masses 3 (1H2H) et 4 (2H2) sur l’échantillon poli en eau lourde : seul un pic à 700 degrés C est observé. Ce pic à 700 °C indique qu’une faible quantité de deutérium s’incorpore à l’échantillon au cours du processus de polissage (environ 2 ppm massique). Le pic à 700 °C correspond à la désorption de l’hydrogène présent dans le matériau avant l’analyse (hydrogène d’élaboration et hydrogène incorporé lors du polissage sous eau). Cet hydrogène a diffusé dans la matrice métallique, puis à travers la couche d’oxyde et s’est recombiné en surface. Un décalage du second pic vers de plus hautes températures étant observé pour certains échantillons, un effet barrière de la couche d’oxyde sur la vitesse de désorption de l’hydrogène est suspecté.
Ces résultats seront discutés en fonction des états de surface et de l’épaisseur de la couche d’oxyde, paramètres pouvant jouer un rôle sur les cinétiques de recombinaison des espèces hydrogénées et de relâchement de l’hydrogène