Besoins en r&d matériaux pour rnr-na et rnr-g Marion Le Flem, Céline Cabet CEA, DEN, DMN Département des Matériaux pour le Nucléaire 91191 Gif sur Yvette marion.leflem@cea.fr celine.cabet@cea.fr GFR Gas-Cooled Fast Reactor Sodium-Cooled Fast Reactor SFR

introduction 30 pour les GV SCE gaz ? 60 pour strcutures fixe 1/2 Réacteurs de Gen IV  plus économes, plus propres, plus économiques, plus surs… Pour les matériaux, conditions de fonctionnement ≠ Gen II-III RNR-Na RNR-G Spectre de neutrons et doses d’irradiation >150 dpa 60-90 dpa Température de fonctionnement cœur 500-750°C ~800°C (1650°C) Nature du caloporteur cœur + structure Na He Durée de vie des structures hors cœur 30-60 ans ASTRID 110 dpa 400-650°C Na 30-60 ans 30 pour les GV SCE gaz ? 60 pour strcutures fixe Le besoin en R&D matériaux s’inscrit dans la démarche suivante : Approfondir les connaissances issues du REx Rapsodie/PX/SPX Ex : comportement mécanique, comportement sous irradiation, cinétique de corrosion Améliorer les performances/durée de vie des matériaux Ex : optimisations métallurgiques, amélioration des procédés de fabrication/soudage… Développer des matériaux innovants (et procédés) Ex : réfractarité, stabilité dimensionnelle M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Introduction – ASTRID et RNR-Na 2/2 M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Astrid – approfondir les connaissances 1. 1/5 Matériaux de gainage  acier austénitique (type 15/15Ti…) Description précise du gonflement sous irradiation et des mécanismes microstructuraux associés  irradiations, analyses fines, modélisations Affiner les lois de comportements mécaniques (1000°C)  compléter les données (fluage longue durée à température et contraintes représentatives) + modélisation Affiner les cinétiques de corrosion, notamment oxyde/gaine (Cs, Te) Proposer des pistes d’améliorations métallurgiques  composition et thermodynamique Développer des des outils de caractérisations en support DV/V % Dose dpa SA 316 600°C Phénix Incubation linear Transient [CEA] [CEA] M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Astrid – approfondir les connaissances 1. 2/5 Matériaux de Tube Hexagonal  acier martensitique type 9Cr-1Mo Affiner les lois de comportements mécaniques (1000°C) notamment prise en compte de la transformation de phase a-g  essais mécaniques + modélisation Explorer les fortes doses d’irradiation >150 dpa Mieux appréhender la microstructure de la jonction hétérogène pied/TH  optimisation des traitements thermiques, description/réduction des contraintes résiduelles, tests méca… Tirr : 390-420°C [Dubuisson 1993] [Van den Bosh 1994] [Gelles 1994] [Gavoille & LeSaux] EM10 qualifié jusqu’à 155 dpa M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Astrid – approfondir les connaissances 1. 3/5 Matériaux absorbant B4C Mieux connaitre les relations microstructure/propriétés  élaboration, caractérisation Améliorer la description de l’endommagement sous irradiation et des propriétés résultantes (mécanique, thermique)  irradiations Mieux appréhender le caractère carburant du B4C vis à vis de la gaine (fragilisation possible, durée de vie)  essais de carburation représentatifs, modélisation, tests mécaniques [Gosset] Matériau réflecteur MgO Améliorer la description de l’endommagement sous irradiation Amorphisation du B4C Revêtements durs contre l’usure (absorbant..) Mettre à jour le savoir faire sur les revêtements stéllites (Co)  fabrications, mise au point, caractérisations Améliorer la description/évolution des revêtements durs  tests tribo. ad-hoc y compris en milieu Na M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Astrid – approfondir les connaissances 1. 4/5 316 LN Matériaux de structure 316L(N) Mise au point de procédés de soudage (par ex TiG et MAG) : Approche expérimentale/numérique (fissuration à chaud) Caractérisation mécanique et microstructurale  Comportement en service: vieillissement, fluage, fatigue Décrire l’évolution du matériau à 40 ans (voire 60 ans) Vieillissement de longue et très longue durée Traction, résilience, ténacité Lien avec les évolutions microstructurales (précipitation) Dont joints soudés… Fluage thermique long terme/faible contrainte Essais de moyenne à très longue durée (de 1 an à qq10 ans) Besoin de modèles fiables pour extrapolation  Dont joints soudés… Fatigue et fatigue-fluage Comportement à faible déformation et longs temps de maintien Compatibilité avec le sodium à 40 ans (60 ans)  modélisation long terme, affinement des modèles pour extrapolation 400-550°C Surtout 550 Striction puis cavitation Vitesse de fluage minimale du 316L(N) en fonction de la contrainte 316LN – 5000h – 550°C Na MET en champ clair, après extraction FIB ~50MPa

Astrid – approfondir les connaissances 1. 5/5 Echangeur compact sodium/gaz  316 (puis 316L(N)) Développement du soudage diffusion (CIC) Propriété de l’interface, effet de la taille de grains, anisotropie (traction, résilience) Comportement à chaud (530°C max) : fluage, fatigue Nitruration en azote Ou solution de repli Générateur de vapeur en hélice  tubes en alliage 800 Soudage en procédé automatique Mise en forme (serpentinage), effet de l’écrouissage, besoin d’un détensionnement Vieillissement Lien microstructure/propriétés (traction, résilience) Prédiction de la précipitation Fluage de longue durée (10 ans) Comportement en fluage (développement d’essais sur tube) Lien avec les évolutions de microstruture Besoin de prédictions fiables Compatibilité avec les environnements Milieu sodium Milieu eau/vapeur Précipitation et nbx chgt de phase (gamma gamma’) Étude vieillissement important Tube de 25 m 3 bout à bout Et on serpentine M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

RNR-Na – Améliorer les performances 2. 1/3 [Séran] Matériaux de gainage  acier ferritiques/martensitiques ODS Stabilité dimensionnelle en termes de gonflement sous irradiation et déformation en fluage Comprendre l’impact des étapes de la fabrication sur la formation de la microstructure finale (broyage, consolidation, filage, mise en forme à froid)  Fabrication et étude de matériaux “modèles” + modélisation Caractérisations mécaniques dédiées sur tubes  à froid et à chaud [Praud 2012] Prédiction de la rupture à chaud  essais mécaniques et examens microstructuraux, apparition de l’endommagement Description de la stabilité sous irradiation (matrice + précipités)  irradiations + examens de la microstructure fine  outils de caractérisation poussés (nm) Intergranular decohesion (ODS 14Cr - creep test at 500°C) Instruire les interactions avec l’environnement  corrosion par Na, interaction avec l’oxyde, problématique retraitement en milieu nitrique (exp + thermo + cinétique) M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

RNR-Na – Améliorer les performances 2. 2/3 Matériaux de Tube Hexagonal  acier martensitique type 9Cr-1Mo Instruire d’autres nuances (T91) Instruire d’autres techniques que le TIG pour la jonction pied/TH  laser ? Matériaux absorbant B4C + Carburation de la gaine / matériaux réflecteurs Mise au point de nouveaux procédés de fabrication plus économique/rapide/souples  Synthèse de poudre, consolidation par méthode flash Instruction de “nouveaux” absorbants/réflecteurs aux propriétés améliorées (ex: résistance à la fissuration)  ajustement des microstructures, cermets… Mise au point de “parades” pour contrer la carburation de la gaine  revêtements ? M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

RNR-Na – Améliorer les performances 2. 3/3 Revêtements durs contre l’usure (pièces de structure, pied de chandelle, absorbant..) Mise au point de revêtements alternatifs aux stellites (c.a.d. sans Co) Revêtements épais à base Ni de type Ni-Cr (B, Si, C) Alliage de surface… Adéquation avec le procédé et évaluation en conditions représentatives (tribo…) Evaluation en conditions représentatives (adhérence, corrosion en sodium, tribologie ) Matériaux de structure 316L(N) Promouvoir l’évacuation de la puissance résiduelle (puits de cuve) Augmenter l’émissivité par des traitements de surfaces (surfaçage, texturation par laser…) ou des revêtements (céramiques) M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

développer des matériaux innovants 3. 1/2 Matériaux composites SiC/SiC R&D portées par les réacteurs au gaz (VHTR et GFR) Gainage de référence pour le RNR-G (nominal 800°C) Intérêt potentiel pour le tube hexagonal du RNR-Na (résistance mécanique jusqu’à 1000°C)  Matériaux très en rupture par rapport aux aciers… [Lorrette, Sauder] [Sauder, Zabiégo] [Ravenet] 25 mm M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

développer des matériaux innovants 3. 2/2 Matériaux composites SiC/SiC Optimisation de l’interface fibre/matrice : ajustement de l’interface selon la fibre utilisée et la proriété demandée)  fabrication de mini-composite “modèle” et évaluation (traction, push out, MET) Maitrise de la fabrication : adapter le “brin” de fibres et le tissage/tressage à la géométrie de la pièce et au CdC du composant [Buet & Sauder]  fabrication d’objets “réels” et tests représentatifs sur composants (perméation, fatigue, Rm >1000°C…) Mesure/prédiction des propriétés thermiques/mécaniques (rôle de l’endommagement par fissuration) et modélisation  développement d’outils spécifiques (dont microstructure) + approche multiéchelle Instruction des interactions avec l’environnement et parades  oxydation/corrosion par le caloporteur (Na ou He), compatibilité avec l’oxyde (utilisation d’un buffer ?) Evolution sous irradiation de SiC + liner métallique (Ta, Nb  fragilisation ?) M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13

Approfondir les connaissances Améliorer les performances ACTIONS MATERIAUX RNR-Na/Gaz NEEDS SOUTENUS en 2013 (Hors combustible…) ASTRID Approfondir les connaissances RNR-Na Améliorer les performances RNR-Na/Gaz Matériaux innovants Structure de l’assemblage combustible Gaine austénitique TH martensitique X 2 Absorbants et réflecteurs B4C, carburation MgO 3 Revêtements durs Stellites Autres parades 1 Structures fixes (316L(N)) Fluage, Fatigue Corrosion Aciers ODS X X X SiC et SiC/SiC XX Combustible X X 5 7 14 Céra- miques ? Majorité RNR-Na M. Le Flem | « R&D Matériaux RNR-Na/Gaz » NEEDS 02/10/13