Co-influence de l’Irradiation et de l’Hélium sur le gonflement de matériaux composants des réacteurs nucléaires à eau pressurisée : Simulations expérimentale et numérique – CoIrrHeSim

Prolonger la durée de vie des centrales nucléaires nécessite une très bonne connaissance et une bonne maîtrise des mécanismes de vieillissement de tous leurs composants. Les mécanismes de vieillissement des matériaux constituant un réacteur nucléaire sont très variés. Certains d'entre eux, comme la fatigue des matériaux, la corrosion sous contrainte, l'usure par frottement, sont assez classiques et se retrouvent dans beaucoup d'autres installations industrielles. D'autres mécanismes sont plus spécifiques aux centrales nucléaires, en particulier la fragilisation et éventuellement un gonflement, et la corrosion sous irradiation. Ces mécanismes n'agissent pas individuellement: c'est leur action conjointe qui contribue à accélérer le vieillissement et qui doit être contrôlée. Cette étude porte sur les composants des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP), tels que les internes de cuves. Ces équipements, en aciers inoxydables austénitiques, sont soumis à une irradiation intense: des doses allant jusqu'à 120 dpa seront atteintes à certains endroits après 60 ans de fonctionnement à une température comprise entre 280 °C et 380 °C. Ces conditions extrêmes modifient sensiblement leurs propriétés: augmentation de la limite d'élasticité, réduction de la ductilité, etc. Pour les parties les plus chaudes et les plus irradiées des REP, un phénomène de gonflement dû à l'irradiation peut également survenir. Le gonflement de matériaux irradiés a été étudié principalement dans le contexte des travaux sur les réacteurs à neutrons rapides (RNR) au-dessus de 400 °C. Il n'est donc pas possible d'extrapoler les données RNR aux conditions de fonctionnement dans les REP sans tenir compte de facteurs supplémentaires (en particulier l'effet des gaz produits par les neutrons "thermiques" dans le spectre REP). Les données disponibles pour les composants internes des cuves de REP proviennent d’études sur des composants hors service. Dans la plupart des cas, la température d'irradiation et la dose sont trop faibles pour observer un gonflement. Toutefois, les parties les plus irradiées de quelques boulons contiennent un peu de cavités (ou bulles): peu, mais assez pour soulever des questions sur la stabilité de ces cavités, en particulier lorsque se pose la question de la prolongation de la durée de vie de réacteurs. D'autres études suggèrent que la dépendance en température de ce phénomène est moins prononcée que pour les RNR, ce qui rend encore plus difficile une extrapolation des données RNR.
Le principal objectif de ce projet est de définir, à une échelle nanométrique, les mécanismes associés au gonflement apparaissant dans des aciers austénitiques inoxydables soumis à de nombreuses années d’irradiations aux neutrons. En couplant des modèles numériques et expérimentaux, l’ambition de notre projet est de déterminer la cinétique de ces mécanismes. Cela permettra d’anticiper le vieillissement lié à un éventuel gonflement des composants des internes de cuves des réacteurs à eau pressurisée. L’exactitude de cette prédiction est essentielle pour la sûreté des centrales nucléaires. Notre projet rassemble des laboratoires de recherche industriels et publics, en s’appuyant sur des études fondamentales de matériaux qui possèdent des enjeux industriels considérables. Il s’inscrit dans un contexte international où des programmes de recherche complémentaires existent. En combinant des simulations expérimentales et numériques, il prend en considération les effets synergiques de l’irradiation et de l’hélium sur les aciers austénitiques inoxydables, ce qui est la principale nouveauté par rapport aux précédentes études dans ce domaine.