Etude in-situ resolue en temps par diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron des evolutions structurales au sein d'un alliage de zirconium oxyde a haute temperature
Résumé
Dans certaines situations accidentelles hypothétiques dans les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), la gaine en alliage de zirconium des crayons combustibles, qui constitue la première barrière de confinement des produits radioactifs, peut être exposée durant quelques minutes à de la vapeur d’eau à haute température (jusqu’à 1200°C), avant d’être refroidie puis trempée à l’eau. Le matériau de gainage subit alors de nombreuses évolutions structurales et métallurgiques : formation d’une couche d’oxyde (zircone), diffusion d’oxygène dans le métal sous-jacent, changements de phases du métal et de l’oxyde. Ces évolutions génèrent des contraintes internes susceptibles de nuire à l’intégrité du matériau fragilisé par l’oxydation. Ces évolutions structurales sont à ce jour peu connues, notamment parce qu’elles sont difficiles à étudier dans les conditions dont il est question ici. Afin de suivre le processus d'oxydation à haute température d'un alliage de zirconium (le Zircaloy-4), nous avons réalisé des mesures in-situ de diffraction des rayons X sous rayonnement synchrotron sur la ligne de lumière BM02, CRG française à l’ESRF. Les évolutions structurales et microstructurales de la zircone en fonction de la température et du temps durant le chauffage, l’oxydation à haute température et le refroidissement de plaquettes en Zircaloy-4 ont été mesurées à l’aide d’un four prototype développé dans le cadre du projet ANR QMAX et disponible sur BM02. Celui-ci a permis d’atteindre avec une bonne maîtrise les températures visées et de contrôler précisément l’atmosphère. L’oxydation a été réalisée en faisant circuler à pression atmosphérique un mélange de O2 et He autour des échantillons. L’objectif était de suivre le processus, très rapide à haute température, avec une résolution en temps de l’ordre de la seconde, et de pouvoir analyser toute l’épaisseur d’oxyde, qui peut atteindre plusieurs dizaines de microns en quelques heures. Les clichés de diffraction ont été acquis à l’aide d’un détecteur 2D IMXPAD-WOS. Les mesures effectuées au chauffage dans une atmosphère contenant de l’oxygène ont mis en évidence la croissance d’une couche de zircone constituée d’un mélange évolutif des phases monoclinique et quadratique (augmentation de l’intensité des pics de diffraction associés) et ainsi que la croissance des cristallites de chacune des deux phases (diminution de la largeur à mi-hauteur des pics de diffraction) lors du chauffage. Des mesures effectuées lors de traitements isothermes à différentes températures entre 700 et 1100 degrés C ont permis de suivre, avec une résolution temporelle adaptée, les évolutions couplées, au cours du processus d’oxydation, de la taille des cristaux des zircone monoclinique et quadratique de la zircone et de la quantité relative de ces deux phases.