Description thermodynamique du systeme Zr-Nb-O-H
Résumé
Les alliages de zirconium sont utilisés comme matériaux de gainage pour le combustible dans les réacteurs à eau pressurisée à 150 bars. Ces gaines sont exposées à un milieu radiatif et corrosif, et constituent la première barrière de confinement du combustible. Il est donc primordial qu’elles conservent leur intégrité pendant leur utilisation en conditions normales de fonctionnement (350°C) et/ou accidentelles (T>1000°C). Le développement d’outils permettant de prédire l’évolution des phases en fonction de la température et de la composition revêt donc un intérêt particulier.
Le développement d’une base de données thermodynamique, dans le cadre de la méthode Calphad, permet de mieux appréhender le lien entre composition, microstructure et condition d’utilisation des alliages. Les différentes phases sont décrites par des fonctions thermodynamiques, cohérentes entre elles, ayant pour variables les compositions, la température, la pression, etc. A partir de la description des sous-systèmes on peut prévoir, par extrapolation, les phases stables dans des systèmes multiéléments pour des conditions données.
Une première base de données thermodynamiques centrée sur les alliages de Zirconium et contenant les éléments Cr-Fe-Nb-Sn-Zr a déjà été développée*. Nous nous intéressons maintenant à l’ajout des éléments d’insertions H et O dans cette base. En effet, dans les conditions d’utilisation des gaines en réacteur, nous devons prendre en compte ces deux éléments compte tenu de leur effet sur les transformations de phases (formation d’hydrure, d’oxyde, etc.) et de leur effet sur le tenue mécanique des gaines (fragilisation de la microstructure).
Notre étude porte principalement sur les sous-systèmes Zr-O-H, Zr-Nb-O, Zr-Nb-H afin de décrire, dans un premier temps, le
système quaternaire Zr-Nb-O-H. Pour ce faire, nous avons utilisé les données expérimentales disponibles dans la littérature, nos
propres données expérimentales et des calculs DFT (Density Functional Theory). Les travaux expérimentaux se sont focalisés sur les systèmes Zr-H et Zr-Nb-H. Nos calculs DFT ont porté sur des configurations ordonnées et des configurations de maille « quasialéatoires» obtenues via des calculs SQS (Special Quasirandom Structure), afin de remonter aux enthalpies de formation et aux enthalpies de mélange de différentes phases. Une description complète du système Zr-Nb-O-H sera donnée.